1. はじめに
建設現場では「このコンクリートはいつから型枠を外せるのか」「今の強度はどの程度か」といった判断が、品質・安全・工程に直結します。こうした判断を、経験だけに依存せず“材料の反応進行”として把握するために有効なのが、熱分析（Thermal Analysis）です。
熱分析は、セメント硬化体の水和反応がどれだけ進行したかを、加熱時の質量変化や熱的挙動から定量・推定する手法群です。試料は数mg〜数十mg程度で足り、採取・前処理・測定・解析までを一定の手順で標準化しやすい点が、研究用途だけでなく品質評価の現場運用にも適しています。
本記事では、TG/DTA/DSCの基本、セメント水和物の脱水・分解の温度域、試料前処理（特に水和停止）の考え方、そして水和度の算出手順と注意点を、実務で使える形に整理します。
2. 熱分析の基礎知識
2.1 熱分析法の分類と特徴
熱分析法は、温度を制御しながら試料の物理的・化学的変化を追跡する分析手法です。セメント分野で特に重要なのは、熱重量分析（TG）、示差熱分析（DTA）、示差走査熱量測定（DSC）です。
熱重量分析（TG）は、加熱中の試料の質量変化を測定します。脱水や分解に伴う質量減少をもとに、水和生成物（例：Ca(OH)₂、炭酸塩など）の量を推定・定量します。装置の質量分解能・感度は機種によって異なりますが、微量変化（µgオーダー）を検出できるものもあり、セメント硬化体のような多相材料の評価に向きます。
示差熱分析（DTA）は、試料と基準物質の温度差から、相転移や反応に伴う吸熱・発熱のイベントを捉えます。ピーク温度の読み取りや反応イベントの同定に強く、TGと組み合わせることで「どの温度域で」「どの程度の質量変化が」起きたかを対応づけられます。
示差走査熱量測定（DSC）は、試料と基準物質への熱流（heat flow）差を測定し、反応熱やエンタルピー変化、比熱などの熱力学量を扱います。装置仕様や測定条件（昇温速度、雰囲気、試料量、坩堝）により再現性が左右されるため、定量に用いる場合は条件固定と校正が実務上の要点になります。
2.2 セメント分析における熱分析の利点
熱分析がセメント分野で重宝される理由は、（1）定量に繋げやすいこと、（2）試料作成と測定の運用が比較的シンプルなこと、（3）多相材料を“まとめて”評価できることにあります。
定量性の観点では、Ca(OH)₂量や炭酸塩量、結合水量（非蒸発水に相当する範囲の質量減少）など、実務で説明可能な指標へ落とし込みやすい点が強みです。一方で、温度域の取り方やベースライン設定、炭酸化の影響、混合材反応の寄与によって数値が動くため、「同一手順で比較する」運用設計が不可欠です。
簡便性の面では、粉砕・水和停止・乾燥といった前処理を標準化でき、測定は自動運転が基本です。研究用途では条件を詰めていく必要がありますが、品質管理用途では“条件を固定してトレンドを見る”運用が現実的です。
包括性については、結晶相だけでなく非晶質相を含む総合的な挙動を質量変化として捉えられる点が利点です。XRDなど結晶相中心の手法と組み合わせると、解釈の確度が上がります。
2.3 測定原理と装置構成
TG-DTA同時測定装置は、質量変化を測る天秤部と、温度制御された炉（電気炉）を中心に構成されます。温度制御はPID制御が一般的で、データはPCへ連続収録されます。ここで重要なのは、仕様の数字そのものよりも「校正・点検を定期実施し、同一条件で比較できる状態を維持する」ことです。
雰囲気制御は、反応の分離と再現性に直結します。空気中では酸化やCO₂影響が入りやすく、窒素など不活性雰囲気では分解・脱水の解釈が整理しやすい傾向があります。流量は装置仕様に合わせ、一定流量での運用を推奨します。
昇温速度はピーク分離と測定時間のトレードオフです。一般的な10℃/min前後は運用しやすい一方、ピーク分離を重視する場合は低速（例：5℃/min）を検討します。逆に迅速評価では高速昇温が有効ですが、ピークの重なりやドリフト増加を許容したうえで“判定に必要な指標”を絞る設計が現実的です。
3. セメント水和物の熱的特性
3.1 主要水和物の脱水挙動
セメント硬化体は多相材料であり、水和物ごとに脱水・分解の温度域が異なります。この温度域の理解が、TGカーブやDTGピークの解釈の基礎になります。
C-S-Hゲル（Calcium Silicate Hydrate）は、概ね50〜300℃で多段階の脱水を示します。50〜105℃付近は自由水・吸着水の寄与が混ざりやすく、105〜300℃域で層間水・構造水の脱水が進行します。実務では、前乾燥条件や等温保持の有無が低温域の解釈に影響する点に注意が必要です。
Ca(OH)₂（ポートランダイト）は、一般に400〜500℃付近で脱水反応（Ca(OH)₂ → CaO + H₂O）を示し、DTG/DTAでも比較的明瞭なピークとして観察されます。このピークは定量指標として扱いやすい一方、炭酸化や混合材のポゾラン反応でCHが消費される系では「水和度＝CH量」と単純に結びつけにくい場面があります。
エトリンガイト（Ettringite）は、主に50〜200℃域で段階的脱水を示します。モノサルフェートは150〜250℃域に寄与しやすく、ピークの重なりをどう分離・積分するかが解析設計のポイントになります。
CaCO₃（炭酸カルシウム）は、一般に600〜850℃域で分解反応（CaCO₃ → CaO + CO₂）を示します。硬化体の炭酸化評価では、この温度域の質量減少が指標になりますが、原料由来の炭酸塩や混合材由来成分の影響が混ざる場合は補助情報（XRD等）で裏取りすると解釈が安定します。
3.2 温度域による反応の分類
実務で解析を安定させるには、温度域を“意味のある区間”として整理し、積分範囲を固定する運用が有効です。
室温〜105℃は主に自由水・吸着水の領域です。乾燥条件に敏感で、養生履歴や保管条件の影響が出やすいため、水和度評価では通常この領域を指標から除外する設計が多いです。
105℃〜400℃は結合水の領域で、C-S-Hやアルミネート系水和物の脱水が集中します。水和停止・前乾燥の手順が揃っていれば、トレンド比較に使いやすい領域です。
400℃〜500℃はCa(OH)₂の脱水が支配的になりやすく、ピークも比較的明瞭です。ただし混合材系では、CH量の増減が「水和」以外の要因（消費反応）を含む点を前提に置く必要があります。
700℃以上では炭酸塩分解が入り、炭酸化評価に利用されます。現場材料では炭酸化が不均一なことも多く、試料採取位置・深さとセットで管理するとデータが説明しやすくなります。
4. 測定の実際
4.1 試料の前処理
セメント硬化体の熱分析では、測定前に水和反応を停止させる（または停止に近づける）前処理が重要です。前処理が揃っていないと、低温域の質量減少がばらつき、結合水量の比較が成立しにくくなります。
アルコール置換法は一般的な手法で、試料をイソプロパノールに浸漬した後、低温で乾燥します。運用しやすい反面、置換効率や乾燥条件によって停止の度合いが揺れるため、SOP化（浸漬時間・溶媒量・乾燥条件の固定）が前提になります。
凍結乾燥法は構造保持に優れますが、設備と時間コストが大きく、日常運用には負担が出ます。研究用途や比較の基準（リファレンス条件）として採用されることが多い方法です。
D-乾燥法（D-drying）は高精度研究で使われますが、有害溶媒を扱うため安全面と設備要件を満たす必要があります。品質管理目的で無理に選ぶより、運用できる範囲で再現性を確保する設計が現実的です。
4.2 試料調製
粉砕は粒度を揃える工程ですが、過度な粉砕は機械的活性化や発熱の影響を持ち込む可能性があります。目標粒径（例：200メッシュ全通の75μm以下）を定め、必要最小限の粉砕で揃えるのが基本です。
試料量はTGで10〜50mg程度が使われることが多く、容器へ均一に充填することで、熱伝達差によるばらつきを抑えます。前乾燥（例：105℃で1時間）は自由水を減らす目的で行われますが、条件が強すぎると水和物が変質し得るため、採用する場合は条件固定と妥当性確認（繰返し測定）を推奨します。
4.3 測定条件
測定条件は「何を指標にするか」で決めます。水和度のトレンド比較が目的なら、測定条件を固定し“同じ手順で比較できること”を優先します。相同定やピーク分離が目的なら、分解能を優先して条件を詰めます。
標準的な測定条件（例）：昇温速度10℃/min、室温〜1000℃、窒素雰囲気、流量一定、試料量一定、アルミナルツボ。
高精度測定条件（例）：昇温速度を下げる（例：5℃/min）、105℃で等温保持、乾燥ガスの使用、基準物質設定など。ここでも重要なのは、採用した条件をSOPとして固定し、比較可能性を担保することです。
4.4 測定時の注意点
試料の代表性は最重要です。複数箇所から採取し、粗骨材の除去・均質化を徹底します。特に劣化診断系の試料では、採取深さと環境面（屋外側・屋内側など）を記録し、結果の説明可能性を確保します。
雰囲気は酸化・炭酸化・再水和の影響を持ち込むため、目的に応じた選択と一定化が必要です。昇温速度はピーク分離と測定時間に影響するため、目的に沿った“割り切り”が求められます。
5. データ解析と水和度算出
5.1 TGカーブの解析
解析の品質は、装置よりも「解析ルールの統一」で決まる場面が多くあります。ここでは、実務で再現性を出すための最小セットを整理します。
- ベースライン補正：装置由来ドリフト、浮力効果、必要に応じたスムージング
- DTG（微分曲線）の活用：ピーク温度の読み取り、重なりの識別、積分範囲の当たり付け
- 積分範囲の決定：温度域の固定、重複ピークの扱いルール、例外条件（炭酸化が強い等）の定義
特に「積分範囲」は、担当者が変わると結果が動きやすいポイントです。可能であれば、代表試料で積分範囲を合意し、運用開始後は安易に範囲を変えないことが、継続データの価値を守ります。
5.2 水和度の算出方法
水和度の算出は、目的（配合比較、材齢追跡、劣化診断、混合材反応の評価）で最適解が変わります。以下は代表的な考え方です。
Ca(OH)₂法：Ca(OH)₂の生成量（または残存量）を指標にする方法です。400〜500℃域の脱水による質量減少からH₂O量を求め、Ca(OH)₂量に換算します。普通ポルトランド系では運用しやすい一方、フライアッシュや高炉スラグ等を含む系ではCHが消費され得るため、単独で“水和度”へ直結させると解釈が不安定になる場合があります。
水和度(%) = (W_CH / W_cement) × (M_C3S / M_CH) × (1 / α_C3S) × 100ここで：W_CH：Ca(OH)₂の重量（TGから算出）、W_cement：セメント重量、M_C3S：C₃S分子量（228.3）、M_CH：Ca(OH)₂分子量（74.1）、α_C3S：C₃S含有率。
結合水法：105℃以上の質量減少を結合水量として扱い、水和の進行を追跡します。比較用途として強い一方、温度域の取り方（上限温度）や炭酸化の影響、混合材由来の脱水イベントをどう扱うかで結果が変わるため、ここでもルール固定が前提です。
結合水率(%) = (W_105-1000 / W_sample) × 100
水和度(%) = 結合水率 × kkは経験的係数として扱われることが多く、材料系・前処理・測定条件ごとにキャリブレーションして採用するのが安全です。
化学量論的方法：水和物の量を温度域ごとに推定し、理論結合水量と照合して水和度を推定します。モデル依存性があるため、研究・解析用途向きです。
W_total = W_CSH + W_CH + W_ettringite + W_monosulfate
水和度(%) = (W_total / W_theoretical) × 1005.3 混合セメントの解析
混合セメントでは、CH量が“水和の進行”だけでなく“消費反応”も反映するため、単一指標で結論を出すと説明が難しくなることがあります。実務では、複数指標の整合で判断する設計が安定します。
高炉セメントでは、CH消費やC-S-H組成変化を考慮し、CH量だけでなく結合水量や他手法との照合を組み合わせます。フライアッシュセメントも同様に、長期材齢でポゾラン反応が進むため、材齢レンジを跨いだ比較では指標の意味づけを明確にします。
現実解としては、XRDや化学分析、必要に応じて強度試験との相関を取り、指標が同じ方向を向いているかを確認する運用が最もトラブルが少なくなります。
6. 実践的な応用例
6.1 セメントの水和反応追跡
水和の追跡では、材齢ごとに同一手順で試料化し、TG/DTGの形状変化を“同じ尺度”で比較することが基本です。ここで重要なのは、単発の数値よりも、時間軸での一貫した変化（トレンド）です。
初期（1日以内）はエトリンガイトなど低温域の変化が目立ちやすく、中期（1週間〜1ヶ月）ではCHピークの立ち上がりが観察されやすくなります。長期（1ヶ月以降）はC₂S反応や組織緻密化が関与し、ピークの“形”の解釈が難しくなるため、補助指標を併用すると説明が通りやすくなります。
6.2 配合パラメータの影響評価
配合の影響を見たい場合、熱分析は「同じ材料系で条件を振ったときの差」を捉えるのに向きます。水セメント比、温度履歴、混和剤の有無など、評価したい因子を一つに絞って設計すると、結果の解釈が一気に楽になります。
たとえば水セメント比が小さい系では水和が進みにくい（反応空間・水不足の制約）可能性があり、温度が高いと初期は促進される一方で長期性能に影響が出る場合があります。ここでも“水和度の数値”より、どの温度域のイベントが増減したか（＝どの相・どの脱水が変わったか）を説明に含めると、現場や関係者に伝わりやすくなります。
6.3 品質管理への応用
品質管理では、解析を高度化するより「判定に必要な指標を決め、手順を固定する」ことが成果に直結します。現場コンクリートでは、採取のばらつきが大きくなりやすいため、採取位置・採取量・粗骨材除去・均質化のルールが品質の半分を決めます。
プレキャスト製品では、養生条件が比較的揃いやすい分、熱分析によるトレンド管理が効きやすい領域です。出荷判定に直結させる場合は、社内基準（閾値）を作る前に、強度試験など既存判定との整合確認を必ず行ってください。
6.4 劣化診断への応用
劣化診断では「どの指標が、どの劣化メカニズムを代表しているか」を先に定義し、その指標が採取位置・深さに対してどう変わるかを整理するのが実務上の要点です。
炭酸化の評価では、CHの減少とCaCO₃生成を組み合わせて説明できます。ただし、表層と内部で炭酸化の程度が異なるため、同一試料の平均化が結論を曖昧にすることがあります。必要に応じて深さ方向に分割して比較すると、診断の説得力が上がります。
硫酸塩劣化や凍害については、熱分析単独で全てを確定するというより、異常生成物の兆候や相変化の“示唆”を得て、顕微鏡観察やXRD等で確証を積む位置づけが現実的です。
7. 最新技術と今後の展望
7.1 高速・高精度測定技術
測定技術は、高速化と高感度化の両方向で進んでいます。高速昇温は測定時間短縮に寄与しますが、ピーク分離が犠牲になりやすいため「判定に必要なイベントだけ見られれば良い」用途で効果を発揮します。
一方で高感度化は、微量試料や貴重試料での解析自由度を広げます。ただし、感度が上がるほど前処理・雰囲気・坩堝・基準条件の影響も目立つため、装置性能よりも運用管理の成熟が重要になります。
7.2 その場測定技術
湿度制御TGや高圧TGなど、実環境を模擬した条件での評価は、耐久性・劣化再現の文脈で価値が上がっています。ここでのポイントは、現象を“再現する”ことと、実務で“比較できる”形に落とすことの両立です。測定条件が複雑になるほど再現性が難しくなるため、研究知見を品質管理へ転用する際には、指標を絞った簡略化が必要になります。
7.3 複合分析技術
TG-MSやTG-FTIRは、発生ガスの同定により反応メカニズムの理解を助けます。TG-XRDのような同時測定は、熱イベントと結晶相変化を直接対応づけられる点で強力です。
ただし、複合化するほど装置条件の自由度が増え、測定系が“研究装置寄り”になります。実務への展開では、まず単独手法（TG/DTG）の運用を安定させ、その上で必要箇所に限定して複合分析を使うのが、コストと成果のバランスが良い進め方です。
7.4 AI・ビッグデータの活用
AI活用は、ピーク分離やベースライン補正など“人によるブレ”が出やすい工程で効果が出やすい領域です。特に、解析ルールを学習させて半自動化できれば、担当者交代による結果の揺れを抑えられます。
一方で、予測モデル（例：水和度→強度推定）は、入力データの質と範囲に強く依存します。モデルを作るより先に、試料採取・前処理・測定条件・解析手順の標準化を完成させた方が、結果として“使えるモデル”が作りやすくなります。
8. 測定精度向上のポイント
8.1 系統誤差の排除
系統誤差は、継続データを壊す最大要因です。温度校正・重量校正を定期的に実施し、標準物質での確認をルーチンに組み込みます。
試料由来の誤差は、代表性確保と前処理の標準化でかなり抑えられます。解析誤差については、ベースライン設定と積分範囲の統一が最優先です。重複ピークがある場合は、分離の“やり方”を固定し、例外条件（分離不能時の扱い）まで決めておくと運用が安定します。
8.2 再現性の向上
再現性はSOPで作ります。試料調製、測定条件、解析手順を文書化し、変更する場合は理由と影響範囲（過去データとの比較可否）を明記します。
品質管理試料（社内標準試料）を定期測定し、管理図で監視すると、装置や前処理の変化を早期検知できます。教育面では、原理と“落とし穴”をセットで共有することが重要で、解釈の誤りを減らす効果があります。
8.3 精度検証
他手法との比較は、結果の説明可能性を高めます。XRDリートベルト解析、化学分析、強度試験などと整合が取れているかを確認し、指標の意味づけを固めます。機関間比較（ラウンドロビン）が可能であれば、手法の妥当性と再現性を客観的に示せるため、外部説明が必要な用途では特に有効です。
9. まとめ
熱分析（TG/DTA/DSC）は、セメントの水和度評価において、少量試料で反応進行を追跡できる実用的な手段です。重要なのは、装置性能を語ることよりも、試料採取・水和停止・測定条件・解析ルールを揃え、比較可能なデータを継続的に積み上げる運用設計です。
実務での使い方としては、（1）指標を決める（CH量、結合水量、炭酸塩量など）、（2）条件を固定する、（3）他手法・既存判定との整合で妥当性を確認する、の順で組み立てると成功確率が上がります。混合セメントや劣化診断のように要因が増える領域ほど、単一指標に寄せず、複数情報で説明可能な結論に落とし込む姿勢が有効です。
参考文献
- 太平洋セメント株式会社. 示差熱天秤分析（TG-DTA）.（Webページ、閲覧日：2026年1月8日）
- Escalante-García, J.I., & Sharp, J.H. (1998). Effect of temperature on the hydration of the main clinker phases in portland cements: part I, neat cements. Cement and Concrete Research, 28(9), 1245-1257.
- 日本コンクリート工学会（JCI）データベース掲載論文：セメント水和物中のCa(OH)₂量・CaCO₃量の熱分析による定量に関する報告（例：JCI論文データベース掲載資料）
- Bhatty, J.I. (1991). A review of the application of thermal analysis to cement-admixture systems. Thermochimica Acta, 189(2), 313-350.
- 土木学会. コンクリート標準示方書（2022〜2023年制定 各編）.
- Scrivener, K., Snellings, R., & Lothenbach, B. (Eds.). (2016). A practical guide to microstructural analysis of cementitious materials. CRC Press.
