コンクリートでは、少ないほど良い

May 08, 2023

ダボスで開催される世界経済フォーラム年次会議に世界の指導者らが集まり、気候変動を含む地球規模の問題を話し合う中、彼らはコンクリートに囲まれて一日を過ごすことになる。 住宅、高層ビル、道路、高速道路、橋、歩道、水道システム、ダムなどは、その比類のない強度特性、耐久性、汎用性、低コストによりコンクリートに依存しています。 水や鉱物と混ぜると固まってコンクリートになるセメントの世界需要が、2050年までに42億トンから62億トンへと48％増加すると予想されるのも不思議ではない。

最近の大規模な都市化において、中国は 2011 年から 2013 年にかけて米国が 20 世紀全体で使用したよりも多くのコンクリートを使用しました。 中国のコンクリート使用が減速する一方で、インド、アフリカ、その他の発展途上国では経済発展の中で消費が急増し、用途は住宅、商業、インフラに分かれるだろう。 コンクリートは私たちの日常生活を改善する構造物の建設に不可欠である一方で、世界の炭素排出量の 8% を占めています。 これらの排出量の 90% は、コンクリートの強度に寄与する主な成分であるクリンカーの生産に由来しています。

パリ気候協定に従い、世界のコンクリート産業は、1.5℃の温暖化炭素収支内に収めるために、排出量を2030年までに16パーセント、2050年までに100パーセント削減しなければなりません。 この取り組みには、具体的なバリューチェーン全体にわたる大幅な変更が必要ですが、最も簡単で費用対効果の高い対策は、プロジェクト要件を満たしながら使用する材料を減らすことです。 炭素集約型のクリンカーの需要を減らすことは、コンクリート業界を気候目標の達成に向けた軌道に戻すのに役立ちます。

この分野の二酸化炭素排出量を軽減するための最初のステップは、用途が拡大しても、各用途で使用するコンクリートの量を減らすことです。 コンクリート材料の効率を確保するための既存および開発中の方法がいくつかあり、材料自体を変更することなく大幅な炭素削減につながる可能性があります。 建物やその他のプロジェクトの従来の設計は、炭素排出ではなくコストを最小限に抑え、過剰な設計マージンを積み上げることを目的としています。 しかし、最近の自動設計ツールの進歩により、構造エンジニアや建築家は、材料の効率をさらに考慮して、特定のプロジェクトのより多くの構造オプションを迅速に検討できるようになりました。

RMI の出版物『Profitively Decarbonizing Heavy Transport and Industrial Heat』では、構造設計を改善することで利益を上げて達成できるコンクリートと鉄鋼の節約について詳しく説明しています。 たとえば、このような工学手法により、ニューヨークのフリーダム タワーと中国の上海タワーでは、コンクリートの使用量がそれぞれ 40 パーセントと 24 パーセント節約されました。 自動設計ソフトウェアが向上するにつれて、無駄のない設計は、現在の方法と比べて（設計時に）コスト競争力があり、需要削減の主な推進力になると予想されます。

2 番目の手段は、新しいコンクリートを使用しないことです。 場合によっては、古い構造物のコンクリート要素を再利用するなどのオプションによって CO2 削減が実現できる場合があります。 ただし、正しい答えは地域によって異なり、建設の種類、設計要件、現地での材料の入手可能性など、その他の多くの要因によって異なります。

同時に、低炭素コンクリートの使用を可能にするために、建築基準法と市場の好みを適応させる必要があります。 炭素はインフラストラクチャを構築する際の重要な考慮事項となるため、設計者のニーズと既存のテクノロジーの間のイノベーションギャップを埋めなければなりません。 EC3 ツールのようなツールは、厳密なテストと並行してプロジェクト設計オプションの具体化された炭素を効率的に比較し、将来の低炭素構造への道を切り開きます。

建物に使用されるコンクリートの総量を減らすことに加えて、コンクリート単位あたりのセメントの使用量を減らすことも、コンクリートのクリンカー含有量と炭素強度を下げる効果的な方法です。 リスクを増大させずにバインダー強度を下げるには、セメントの無駄が最大 30% 削減され、配合仕様と配合の作成がより正確になり、混和剤と呼ばれる化学物質を添加できる生コンクリートなどのバルクセメントの使用に移行する必要があります。コンクリートの特性を改善し、セメントの必要量を削減します。

多くの国では、建築業者は依然として袋入りセメントの使用を好んでいますが、これは廃棄と過剰使用の両方につながります。 世界の袋詰めセメント市場の一部（現在42％）を工業化すれば、セメントを大幅に節約できるが、生混合工場やセメントトラックへの投資と、現地の市場力学の大幅な変化が必要となる。 米国や EU などの地域では、セメントの使用はすでに大部分が工業化されていますが、インドでは袋入りセメントの市場シェアが 90% 近くに達しており、二酸化炭素削減の大きな機会となっています。 既存のプラントには、水の必要性を減らし、結果的に必要なセメントの量を減らす分散剤などのさまざまな化学混和剤がすでに組み込まれています。 その他の混和剤には、コンクリートをより迅速に強化する促進剤や、低強度の用途で気泡の体積を増加させ、固形材料の投入を置き換えることを可能にする空気凝固剤などがあります。

新しい混和剤を作成するイノベーションと、既存のソリューションの適用性、効率性、コスト競争力を高めることで、特定の用途での性能を維持しながら、コンクリート中のクリンカーとセメントの含有量を大幅に低減することが可能になります。

伝統的なポートランド クリンカー セメントの代替品も多くの研究の対象となっていますが、コスト、材料性能、原材料の入手可能性、エネルギー投入量などの理由から、採用は限られています。 この手段にはある程度の利点がありますが、これらのニッチ ソリューションは依然として相対的にカスタマイズされた製品に留まり、高度にコモディティ化された世界でニッチを追求しているため、短期的には大規模な展開は考えられません。

しかし、一般的ではないポルトランドセメントの使用は、別の方法で普及してきました。それは、クリンカーを部分的に置き換えるために、セメント混合物中の限られた量の補助セメント質材料 (SCM) を置き換えることです。 SCM は水と混合するとクリンカーと同様の挙動を示し、セメント混合物の強度に寄与しますが、ほとんどの場合、クリンカーを完全に置き換えることはできません。 SCM には、高炉微粉砕スラグ (GBFS) やフライアッシュ、焼成粘土、天然ポゾラン、および粉砕石灰石などの産業廃棄物が含まれます。 現在のクリンカーとセメントの比率は 0.72 ですが、世界セメントコンクリート協会 (GCCA) は、2050 年までにセメントに含まれる世界の平均クリンカー含有量を 18% 削減することを目標としています。

クリンカー代替率の高いコンクリートを選択すると、総建設コストの増加を 0.5 パーセント未満に抑えながら、従来の 5 階建ての建物に関連する炭素排出量を直ちに 32 パーセント削減できます。 古代ローマのパンテオンは完全に天然ポゾラン セメントで建設されていますが、より現代的な例としてはシアトルのザ スフィアやカイロのアイコニック タワーがあり、どちらもホルシムの低炭素エコプラネット セメントを使用しています。 これらの SCM の多くはパフォーマンス上の利点をもたらしますが、硬化時間の増加と初期強度の低下により、プロジェクトのスケジュールが遅れ、場合によっては追加コストが発生する可能性があります。

硬化時間と強度を改善する促進混和剤を改良することは、配合コンクリートへの SCM の組み込みを促進するために重要です。 導入を改善するには、さらなるテストと標準の更新も重要です。 ただし、フライアッシュと GBFS の供給源である石炭火力発電所と製鉄所が段階的に廃止され脱炭素化されるため、フライアッシュと GBFS の供給は減少すると予想されており、より環境に優しいコンクリートを作成するには他の SCM の探査と抽出がさらに重要になることに注意することが重要です。 。 石灰石と焼成カオリナイト粘土が世界的に入手可能であることを考慮すると、LC3 セメント（クリンカー 50 パーセント、焼成粘土 30 パーセント、石灰石 15 パーセント、石膏 5 パーセントで構成）は、低炭素コンクリートの将来への有望なアプローチの 1 つとみなされています。 新しい SCM や現在の混合セメントの性能向上が現れるにつれて、コンクリートのクリンカー係数と炭素強度は低下し続けるでしょう。 しかし、気候変動対策のこの決定的な 10 年間においては時間が非常に重要です。

First Movers Coalition、ConcreteZero、Industrial Deep Decarbonization Initiative などの団体は現在、低炭素コンクリートを求めており、サプライヤーは増大する需要に対応するために行動する必要があります。 具体的なバリューチェーン全体にわたるイノベーションは、排出量とコストの両方を削減し、炭素強度の技術的限界を押し上げ、政策変更に影響を与える可能性があります。 コンクリート、セメント、クリンカーの削減を目標とした、多角的なアプローチが必要です。 将来の構造エンジニアは、生混合プラントがプロジェクトに炭素集約度の低いコンクリートを供給しながら、最先端のソフトウェアを使用して設計オプションの効率的なフロンティアを迅速に探索することになります。 これらの需要削減は方程式の一部にすぎず、代替燃料、電化、二酸化炭素回収などの供給側の対策により、残りの排出を排除する必要があります。

RMI は、ミッション ポッシブル パートナーシップを通じて、エネルギー移行委員会、Systemiq、世界経済フォーラム、欧州セメント研究アカデミー (ECRA)、および GCCA と提携し、供給側の脱炭素化手段に加えて、これらの脱炭素化手段のそれぞれを検討しています。セメントセクター移行戦略を公開予定。 コンクリートおよびセメント業界は、ネット・ゼロ・エネルギー移行に向けた抜本的な変革の真っ只中にいます。