この項目では、コンクリートやモルタルの材料であるセメントについて説明しています。その他のセメントについては「セメント (曖昧さ回避) 」をご覧ください。
セメントを投入、混合攪拌する様子 セメント （英 :cement ）、膠灰（こうかい）[ 1] 水 や液剤などにより水和 や重合 し硬化 する粉体 を指す。広義には、アスファルト 、膠 （にかわ）、樹脂 、石膏 、石灰 等や、これらを組み合わせた接着剤
本項では、モルタル やコンクリート として使用される、ポルトランドセメント や混合セメントなどの水硬性セメント（狭義の「セメント」）について記述する。
セメントの利用は古く、古代エジプト のピラミッド にもモルタル として使用されたセメント（気硬性セメント）が残っている。水酸化カルシウム とポゾラン （英語版 ） 発見 されたのがいつごろなのかは不明だが、古代ギリシア や古代ローマ の時代になると、凝灰岩 の分解物を添加した水硬性セメントが水中 工事 や道路 工事などに用いられるようになった[ 2] 自然 に産出するポゾラン（火山土や軽石 ）や人工 ポゾラン（焼成 した粘土 、陶器 片など）を使っていた。ローマ のパンテオン やカラカラ浴場 など、現存する古代ローマの建物にもそのようなコンクリート （ローマン・コンクリート ）が使われている[ 3]
ローマ水道 にも水硬性セメントが多用されている[ 4] 中世 になるとヨーロッパ では水硬性セメントによるコンクリートが使われなくなり、石 壁 や石柱 の芯を埋めるのに弱いセメントが使われる程度になった。
現代的な水硬性セメントは、産業革命 と共に開発 され始めた。これには以下の3つの必要性が影響している。
産業革命時代に急成長を遂げたイギリス では、建築 用のよい石材の価格 が上がったため、高級な建物 であってもレンガ 造りにして表面を漆喰で塗り固めて石のように見せかけるのが一般化した。このため水硬性の石灰が重宝されたが、固まるまでの時間 をより短くする必要性から新たなセメントの開発が促進された。中でもパーカーのローマンセメント が有名である[ 5] ジェームズ・パーカー （英語版 ） 1780年代 に発明 し、1796年 に特許 を取得した。それは実際には古代ローマで使われていたセメントとは異なるが、粘土 質の石灰石 を1000 - 1100℃ と推定される高温で焼成 し、その塊を粉砕して粉末としたセメントであり、天然 の原料 をそのまま使っていた。これを砂 と混ぜたものがモルタルとなり、5分から15分で固まった。このローマンセメントの成功を受けて、粘土と石灰を人工的に配合して焼成してセメントを作ろうとする者が何人も現れた。
イギリス海峡 の三代目エディストン灯台 の建設（1755年 - 1759年）では、満潮 と満潮の間の12時間で素早く固まる上に、ある程度の強度 を発揮する水硬性モルタルが必要とされた。この時土木工学 者のジョン・スミートン は生産 現場にも出向き、入手可能な水硬性石灰の調査 を徹底的に行ったことで石灰の「水硬性」は原料の石灰岩に含まれる粘土成分の比率と直接関係していることに気づいた。しかし土木工学 者のスミートンはこの発見をさらに研究 することはなかった。この原理 は19世紀 に入ってルイ・ヴィカー により再発見されたが、明らかに彼はスミートンの業績を知らなかったと思われる。1817年 、ヴィカーは石灰と粘土を混合し、それを焼成して「人工セメント」を生産した。ジェームズ・フロスト [ 6] 1822年 だった。1824年 、イギリス・リーズ の煉瓦 積職人ジョセフ・アスプディン が同様の製法について特許を取得した。イングランドのポートランド石 の色調 に似ていたことから、Portland cementと命名した。このポルトランドセメント は今日のセメントの主流であり、単にセメントと言った場合、このポルトランドセメントを指すことが多い。
これらの製品 は石灰とポゾランによるコンクリートに比べると、固まる時間が速すぎ（施工 可能な時間が不十分）固まった直後の強度が不十分だった（型枠 を外すのに数週間かかる）。天然セメントも人工セメントも、その強度は含有するビーライト （Ca2 SiO4 ）の比率に依存する。ビーライトによる強度は徐々に高まっていく。1,250 ℃ 以下で焼成されているため、現代のセメントで素早く強度を発揮するエーライト （Ca3 SiO5 ）を含んでいない。エーライトを常に含有するセメントを初めて製造したのは、ジョセフ・アスプディンの息子 ウィリアム・アスプディン で、1840年代 のことである。こちらが今日も使われているポルトランドセメントと同じものである。ウィリアム・アスプディンの製法には謎があったため、ヴィカーやI・C・ジョンソン が発明者だとされていたが、ウィリアムがケント のノースフリートで作ったコンクリートやセメントに関する最近の調査 [ 7] 化学 的基盤を確立したのはヴィカーと言っていい。またジョンソンは、混合物を窯 の中で焼成することの重要性を確立した。
ウィリアム・アスプディンの行った改良による製法では（父 が集めるのに苦労していた）石灰をより多く必要とし、窯の温度もより高くする必要があり（そのため燃料 も多く消費 する）、出来上がったクリンカー は硬すぎて石臼 がすぐに磨り減ってしまうという問題があった（当時、クリンカーを粉にする方法は石臼しかなかった）。このため製造コスト がかなり高くなったが、その製品は適度にゆっくり硬くなり、固まると即座に強度を発揮するもので、製造過程にデメリットがたくさんあっても用途が格段に広がった。1850年 代以降、コンクリートが建築にどんどん使われるようになり、セメントの用途のほとんどを占めるようになった。
日本では、幕末の頃にフランス製のポルトランドセメント を輸入したのが最初とされる。1875年 （明治 8年）、日本で最初の官営 セメント会社である深川セメント製造所 にて、当時の工部省 技術官宇都宮三郎 がポルトランドセメントの製造に成功した。その後、1884年 にこの工場は民間に払い下げとなり、日本セメント （現在の太平洋セメント ）となった。また、1881年 には山口県小野田市 に、民営セメント工場として最初のセメント製造会社小野田セメント （現在の太平洋セメント ）が誕生した。当時の生産高は両工場で月産約230ｔ程度であった。1924年10月5日、18社構成のセメント連合会が設立され、生産制限・販売協定を実施した。
セメントは、「ポルトランドセメント」、ポルトランドセメントを主体として混合材料を混ぜ合わせた「混合セメント」、その他の「特殊セメント」の3つに大別される。2018年に国内で生産したセメントのうち、75%がポルトランドセメント、24%が混合セメントであった[ 8]
ポルトランドセメントには、用途に合わせた品質・性質の異なる種類がある。一般的な工事・構造物に使用される「普通ポルトランドセメント」、短期間で高い強度を発現する「早強ポルトランドセメント」、水和熱 が低い「中庸熱ポルトランドセメント」、セメントよりも白色 である「白色ポルトランドセメント 」が主な種類である。
高炉セメント 製鉄所 の銑鉄 製造工程 である高炉 から生成する副産物 である高炉スラグ の微粉末とポルトランドセメントを混合したセメントである。高炉スラグには、セメントの水和反応 で発生した水酸化カルシウム などのアルカリ性 物質や石膏 などの刺激により水和 ・硬化する性質がある。そのため高炉セメントは、初期強度は普通ポルトランドセメントよりも低いが、この性質により長期にわたって強度が増進し、長期強度は普通ポルトランドセメントを上回る場合もある[ 9] 海水 や化学物質 に対する抵抗性に優れ[ 9] 港湾 やダム などの大型土木工事 に使用される[ 9] JIS では JIS R 5211 で規定され、高炉スラグの分量により A種 (5 - 30 %)、B種 (30 - 60 %)、C種 (60% - 70 %) に分類される。ドイツ では20世紀 の初頭から製造され、日本では八幡製鐵所 で1913年 （大正2年）に製造されたのが始まりである。2018年時点で混合セメントの87%を占める[ 8] シリカセメント 二酸化珪素（シリカ）を60 % 以上含む天然のシリカ質混合材とポルトランドセメントを混合したセメントである。耐薬品性を要する化学工場に使用される。JISでは JIS R 5212 で規定されている。2010年以降は生産されていない[ 8] フライアッシュセメント フライアッシュ （火力発電所 で発生する石炭 の焼却灰 ）とポルトランドセメントを混合したセメントである。球形のフライアッシュを混合するため、このセメントを使用するコンクリートは流動性が改善されワーカビリティに優れる[ 10] 二酸化ケイ素 が水和反応によって生じた水酸化カルシウムと反応（ポゾラン反応）し、緻密で耐久性に優れたケイ酸カルシウム の水和物 を発生させる。そのため水密性があり、港湾やダムなど水密性が要求される構造物で使用される。JISでは JIS R 5213 で規定され、フライアッシュの分量により A種 (5-10%)、B種 (10-20%)、C種 (20-30%) に分類される。 日本では宇部興産のセメント事業（現・UBE三菱セメント ）で1956年（昭和31年）に製造されたのが始まりである。 アルミナセメント アルミニウム の原料であるボーキサイト と石灰石から作られる、酸化アルミニウム （アルミナ）を含むセメントである。練混ぜた後すぐに強い強度を発揮し、耐火性・耐酸性がある。緊急工事や寒冷地での工事、化学工場での建設工事、耐火物などに使用される。ポルトランドセメントと混合セメントは、土木・建築用のコンクリート やモルタル の材料として使用される。
ポルトランドセメントの用途は、使用実績も多く、各種工事に特別な配慮も必要なく使用できる。早強型は緊急工事や寒中工事に適し、超早強セメントは粉末度が高いのでグラウト 工事に適している[ 11] [ 11] [ 11] [ 11]
混合セメントの用途は、化学抵抗性も高く、スラグの潜在水硬性とフライアッシュのポゾラン反応によって長期強度が大きくなることから、ダム 、海洋構造物、下水道 工事に使われることが多い。ただし、初期強度が弱いため、若材齢における養生管理が重要となる[ 11]
特殊セメントでは、アルミナセメントが24時間以内に普通ポルトランドセメントの材齢28日強度を上回る強度を発現する特性があり耐酸性は高いが、価格が高く発熱量が多いうえ、転移現象で長期強度が低下するなど取り扱いが難しいことから、耐火製品以外はほとんど使用されない[ 11] [ 11] [ 11] [ 12]
セメントに水 を練り混ぜたものはセメントペーストと呼ばれ、それに細骨材 （砂 ）を加えたものがモルタルである。モルタルに粗骨材 （砂利 ）を混ぜあわせたものはコンクリートと呼ばれる。モルタルやコンクリートは化学混和剤 を添加し、さらに、空気量も適度に確保するように考慮して設計・製造される。
セメントは、水と反応 すると水酸化カルシウム を発生させ、強いアルカリ性 を示す性質がある。そのため、目 や鼻 、皮膚 に対して刺激性、溶解 性があり、硬化前のセメントが付着した状態が続くと目の角膜 や鼻の粘膜 、皮膚に炎症 や出血 が起こる可能性がある（セメント皮膚炎 ）。
完全に硬化した後のセメント（モルタル・コンクリート）の場合は水酸化カルシウムは二酸化炭素 と反応して中性 の炭酸カルシウム となっているので、炎症を引き起こす可能性は多くの場合ない。
セメントの粉塵 は平均粒径が10μm 程度の微粉末であるため発塵性があり、多量のセメントを吸引すると塵肺 になる可能性がある。また、セメントは高温で焼く製造過程で、原料中の三価クロムが六価クロム に変化し、微量にこれを含んでいる。
日本ではセメントの材料として発電所の石炭灰や下水処理場の汚泥といった廃棄物・副産物も利用している。セメントは製造工程上高温で処理するためダイオキシン類が発生しにくく、また二次廃棄物が発生しないためこれら廃棄物・副産物のリサイクル先として優秀である[ 13] [ 13]
日本のセメント産業は、日本全体の温室効果ガス 排出量の約4%を排出しており[ 14] CaCO3 ⟶ {\displaystyle {\ce {->}}} CaO + CO2 )及び焼成時の燃料で二酸化炭素が発生する[ 15] [ 16] [ 15] [ 17] [ 18]
ホルシム （スイス ）、ハイデルベルク・マテリアルズ （ドイツ ）、セメックス （メキシコ ）の大手セメントメーカー3社は「セメントメジャー」と呼ばれる[ 19]
2015年国別セメント生産 世界の国・地域別セメント生産量推移（単位：千トン）
国（地域） 1995年 2000年 2005年 2010年 2015年 中国 445,610 576,000 1,000,000 1,800,000 2,350,000 インド 70,000 95,000 130,000 220,000 270,000 米国 78,320 92,300 99,100 63,500 83,400 ブラジル 25,500 41,500 39,000 59,000 72,000 エジプト ---- 23,000 27,000 48,000 55,000 フランス 21,000 20,000 20,000 ---- ---- ドイツ 40,000 37,000 32,000 31,000 32,000 インドネシア 19,500 27,000 37,000 42,000 65,000 イラン ---- ---- 32,000 55,000 65,000 イタリア 35,000 35,000 38,000 35,000 23,000 日本 90,474 77,500 66,000 56,000 55,000 韓国 55,130 50,000 50,000 46,000 63,000 メキシコ 23,971 30,000 36,000 34,000 35,000 パキスタン ---- ---- ---- 30,000 32,000 ロシア 36,400 30,000 45,000 49,000 69,000 サウジアラビア ---- ---- 24,000 45,000 55,000 スペイン 25,000 30,000 48,000 50,000 ---- 台湾 22,478 19,000 ---- ---- ---- タイ 26,500 38,000 40,000 31,000 35,000 トルコ 33,153 33,000 38,000 60,000 77,000 ベトナム ---- ---- 27,000 50,000 61,000 その他 373,300 450,000 392,000 520,000 603,000 総計 1,421,300 1,700,000 2,220,000 3,300,000 4,100,000
出典：Mineral Commodity Summarieshttp://minerals.usgs.gov/minerals/pubs/mcs/ 米内務省、アメリカ地質調査所（英: United States Geological Survey; USGS）ホームページMineral Resources Program内の年次サマリーより。1995年のデータには推測値が多く含まれる。 世界の大手セメント生産企業（2014年） 順位 企業 国 容量 (百万トン/年) プラント数 1 ラファ―ジュ フランス 225 166 2 ホルシム スイス 217 149 3 中国建築材料集団有限公司 中国 200 69 4 安徽海螺セメント股份有限公司 中国 180 34 5 ハイデルベルクセメント ドイツ 118 71 6 冀東発展集団有限責任公司 中国 100 100 7 セメックス メキシコ 96 61 8 華潤セメント控股有限公司 中国 89 16 9 中国中材集団有限公司 中国 87 24 10 山東山水セメント集団有限公司 中国 84 13 11 Italcementi イタリア 74 55 12 Taiwan Cement 台湾 70 13 Votorantim* ブラジル 57 37 14 CRH **アイルランド 56 11 15 UltraTech インド 53 12 16 華新セメント股份有限公司 中国 52 51 17 Buzzi イタリア 45 39 18 Eurocement ロシア 40 16 19 天瑞集団セメント有限公司 中国 35 11 20 Jaypee*** インド 34 16
出典：http://www.globalcement.com/ より引用、「Annual reports of respective companies and their websites and the Global Cement Directory 2013」がソース資料。表内の*は CIMPOR（シンポール、ポルトガル）ポルトガル最大手のセメント会社から15百万トンを共有する。**クリンカー容量から推定した値（95%）。***は2012年4月のもの。ラファージュはホルシムと合併し、現在の社名はホルシム である。ハイデルベルクセメントは Italcementi を買収し、現在の社名はハイデルベルク・マテリアルズ である。 山陽小野田市の「セメント町」の町名標
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