エネルギー消費とCO₂排出量を6割以上削減できる低炭素型セメント「ECMセメント」

最適の成分比を求めて試行錯誤、
ぎりぎりの１点配合にたどりつく

ECMセメントの開発には、ポルトランドセメントと同等程度の強度および流動性（柔らかさや作業のしやすさに影響）が必要です。施工上、あまり早く固まり始めても、遅すぎてもいけません。ほどよいバランスを見つけなければならないのです。

また、中性化や収縮をいかに抑えるかなど、「高炉スラグ」「ポルトランドセメント」「石膏」の最適な成分比率を見つけ出さなくてはなりません。さらに、施工現場では「骨材」と呼ばれる砂や砂利、そして水をどのような配分で混ぜるかという問題もありました。

坂井教授は、「ポルトランドセメントの混合量を1％に抑えることは無理にしても、どの程度混合すれば固まるか、細かくデータを取っていきました。当初は15～20％まで抑えることができるのではと考えましたが、結局、30％のポルトランドセメントの混合が必要だと分かりました」と説明します。

ポルトランドセメントの混合割合だけでなく、化学混和剤（分散剤）も重要なカギを握りました。ポルトランドセメント、高炉スラグ、そして水が混ざりやすくなるには、ポルトランドセメントおよび高炉スラグの粒子をバラバラにすることが重要で、そのために必要になるのが分散剤でした。

竹本油脂では、この分散剤の開発を行いました。ECMセメントの流動性を高めるためだけでなく、粒子が分散すると混合する水を減らすこともできるため、コンクリートの強度も上がります。また、コンクリートが固まるまでの時間も適切に制御することができるようになりました。

米澤さんは、「高炉スラグとセメント、数種類の化学混和剤の適切な組成を坂井先生が中心になって研究し、膨大なデータを集めました。その結果、ECMセメントは、初期強度も収縮特性も劇的に改善できることがわかってきました。ところが、他の項目のデータではネガティブな結果が出てしまったりと、組成バランスをいかに取るかに、苦心させられました」と当時の苦労を語ります。

こうした努力のすえ、3年掛けてようやく理想的な成分比率を突き止めるにいたりました。坂井教授は、「データを集めるに当たっては、セメント自体の組成まで変えて試しました。そして、もうこれがぎりぎりという“処方箋”にたどり着つくことができました。実用化に至ったECMセメントの組成は、これしかないという１点配合と言えます」と言います。

「もともと私たちの研究室でも様々な研究があり、データもありました。しかし、大半のプロジェクトは単年度で終わってしまう。今回のように長期的かつ総合的に研究できたのはNEDOプロジェクトだけでしょう」（坂井教授）

業界大手がこぞって参加する、“ドリームチーム”を結成

先導研究フェーズが予定通り完了し、2011年からは実用化促進フェーズ「省エネルギー革新技術開発事業」に入りました。米澤さんは当時の状況を説明します。

「実用化段階に入るには、通常、基礎研究後1～2年様子を見るのですが、このECMセメントは社会的にも影響の大きい技術なので、組織を拡大して、すぐにでもNEDOプロジェクトとして実用化研究を始めるべきだという話になっていきました。その際、NEDOからは、将来の普及を考えて、複数の建設会社やセメントメーカーを加えることが肝要だとの提言があり、競合する企業にもプロジェクトへの参加を呼びかけました」（米澤さん）

「まず相談したのは鹿島建設でした。私は40年間、ゼネコンでコンクリートの研究をしてきましたが、ゼネコンとセメントメーカー同士１対１で共同研究をするのが通常で、競合企業を研究開発に誘うことはまず考えられませんでしたが、ECMセメントは将来、社会的にもとても有用な技術となる可能性が高いということで、競合という立場を超えての連携が可能になりました。長年の個人的なつながりも功を奏しました。皆さん、知り合いですから、信頼関係があったのです」（米澤さん）

閑田さんは、「それでも連携できたのは、竹中工務店の実用化にかける情熱があったからだと思います。また、竹中工務店は建築に強く、鹿島建設は土木に強いので、住み分けをしながら、ECMセメントの普及を図ることができるというメリットも発揮できるとも考えました」と競合企業の壁を越えての連携を語ります。

セメントメーカーも古くから高炉セメントを生産しているデイ・シイと、日鉄住金高炉セメントおよび日鉄住金セメント、そしてセメント業界最大手の太平洋セメントの参加も得ることとなりました。こうして、ユーザーである建設会社とサプライヤーであるセメントメーカーが複数社参加するという、かつてない「ドリームチーム」が実現しました。（図7）

セメント部会のリーダーとなった坂井教授は、ECMセメントをコンクリート構造物や地盤改良に使って問題がないかをたしかめる実証実験について説明します。

「ECMセメントの成分はほぼ決定しましたが、現場で施工する際の品質管理をどうするかが課題となりました。実証実験を繰り返すうちに現場の品質変動をカバーするには、スラグの粉末度を調整することが有効だとわかりはじめました。それからは何度も実証実験の現場とフィードバックし合いながら最適解を探していきました」

また、現場では砂や砂利などの骨材の種類も土質も異なります。そうした変動要因があっても、ECMセメントが同じ性能を発揮できるようにする品質管理法・制御法の確立も重要課題でした。

米澤さんは、「骨材だけでなく、セメントやスラグも、各セメントメーカーで微妙に異なります。それをどう管理するか。これはクリアな一つの答えにならないので、実証実験を繰り返しながら最適なバランスを探りました。それには、メンバー各社が保有データを可能なかぎり共有しながらも、各社の秘密も保持できるようにしていく必要があり、その調整にも苦労しました」と話します。

さらに中性化の問題については、過去の研究開発の事例も活用することで、実証研究を深めていきました。

米澤さんは、「６年掛けて実用化したと言っても、30年後にコンクリートが劣化したら問題になります。そこで、スラグの混合量が多い高炉セメントＣ種で50年前に作られた建物を分析しました」と話します。

その対象となったのは、北九州市にある地上五階建てのビルで、実際にコアを摘出して検査した結果、強度も経年的に高まり、中性化もほとんどないことが確認できました（写真6）

日鉄住金高炉セメント技術開発センターの檀康弘さんは、「建設ラッシュだった高度成長期に、高炉セメントも一般建築物に使用できないかと実験的に建てられた建物で、集合住宅などでも実験されたと聞いています。ただし、今回のプロジェクトで課題としたような施工上の問題に行き当たり、その解決策が見いだせず、実用化・事業化には至りませんでした。ほとんどの建築物が解体されてしまったなか、現存するビルを捜し出して、経年による耐久性変化の資料としました」と説明します。

コストと環境性能と、品質が実用化には必要

コンクリート部会のメンバーであった鹿島建設の閑田さんは、「実用化は経済性と環境性能と品質がそろわないと実現できません。環境性能はすでに骨格ができていたので、私たちはコストと品質を担当しました」と話します。

閑田さんは続けます。「セメントメーカーとユーザーであるゼネコンでは利益が相反します。メーカーは高品質を担保してなるべく高く売りたい。ならば、その品質をどう上げるかが課題となります。そして品質の第一はなんと言っても実際の構造物に使用した時の耐久性です」

「耐久性を確保する研究を弊社と竹中工務店で行いました。課題は発熱で、構造物が大きくなると、コンクリートの熱が上がってひび割れの原因になります。いかに熱を抑えるか実験を繰り返しました」（閑田さん）

セメントは水と反応すると熱を発します。熱を下げれば下げるほど、大きな構造物でも使いやすくなります。コンクリート部会では先導研究の成果を活かしながら、成分調整をして目標の熱量に抑えることができました。

閑田さんは、「坂井先生やセメントメーカーの協力も得て進めましたが、何か問題があると、まるで手品師のように知恵を出す人が出てくる。そうした点も、まさにドリームチームでしたね」と言います。

実証実験では、実際の施工現場に仮設の構造物を作っての研究開発が行われました。同じくコンクリート部会のメンバーである竹中工務店技術研究所建設材料部主任研究員の辻大二郎さんは、「弊社ではコンクリートの物性研究を担当しました。コンクリートは料理ととても似ていて、いい素材とコックが必要です。わたしたちがコックとして素材を活かしておいしい料理を作る。最終目標は良質の建築物を作ることであり、そのために実験をしてはフィードバックを繰り返し、ECMセメントに適した配調合（レシピ）と運搬方法（デリバリー）の基本を見い出しました」と話します。

坂井教授は、「研究室ではこれでいけると思っても現場から『うまくいかない』と戻ってきて、肩を落とすことも度々ありましたが、現場で問題があると知れば改良しなければなりません。その繰り返しでしたが、今回のように各社がデータを出し合って研究するのは初めてのことで、各社連携しながら長期間の研究ができたのは貴重な経験でした」と語ります。

JIS規格の高炉セメントC種に適合

地盤部会のメンバーであった竹中工務店技術研究所地盤・基礎部主任研究員の河野貴穂さんは先導研究からプロジェクトに関わってきました。

河野さんは、「研究室内と現地実験の両方を担当しました。実証実験とは言え、フィールド実験で悪い結果が出ると実用化が遅くなります。そのため現地から土を持ちかえっては室内実験を事前に何度も繰り返しました。それでも、室内では性能がいいのに、現地では性能が落ちてしまうんです。何度やっても同じ結果で、これには頭を抱えました」と話します。

こうした課題に河野さんは当初、構造体を大きくすることでセメントの性能が落ちると考えていましたが、調べていくうちにそうではないことがわかってきました。最終的に判明したのは、現地での実験サンプルの取り方、管理の仕方でした。「結果は意外でしたが、つまりは物差しの使い方が間違っていたということでした。測定方法を変えると問題がないことがわかりました」（河野さん）

ECM共同研究開発チームでは、プロジェクト着手当初、高炉セメントの弱点を補うために新しい構造体を確立することと並行で、ECMセメントの実用化を考えていました。しかし、こうした研究開発の結果、ECMセメントの性能改善が想定以上に進み、通常の鉄筋コンクリートの基礎や杭でも使える素材となることを実証できました。さらに最終的には、JIS規格の高炉セメントC種のカテゴリーに入る製品として、ECMセメントは安心して使えるセメントと言えるまでになりました。