セメント化学入門：基本的な化学反応と特性

1. はじめに

建設現場でセメントと水を混ぜると、なぜ固まるのでしょうか？この一見当たり前に思える現象の背後には、実は非常に精密で複雑な化学反応が隠されています。セメントが水と出会った瞬間から始まる化学反応の世界は、まるで分子レベルでの建設現場のようです。

この記事では、セメント化学の基礎について、専門用語を使いながらも実際の建設現場での経験と結び付けて解説していきます。化学式に抵抗がある方も多いかもしれませんが、まずはセメントと水が出会ったときに起こる「化学の魔法」を理解することから始めましょう。

現場の技術者にとって、なぜコンクリートが時間とともに強くなるのか、なぜ養生が重要なのか、なぜ配合によって性能が変わるのかを理解することは、より良い構造物を作るために不可欠な知識です。この記事を読み終わる頃には、セメントペーストが硬化する過程で分子レベルで何が起きているのかが見えてくるはずです。

2. セメント化学の基礎知識

2.1 セメント化学記法を理解する

セメント化学の世界では、長い化学式を簡潔に表現するために特別な略号システムが使われています。これは世界共通の「セメント化学記法」で、現場で図面を読むときのように、一度覚えてしまえば非常に便利なものです。

基本的な酸化物の略号として、**C**は酸化カルシウム（CaO）を、**S**は二酸化ケイ素（SiO₂）を、**A**は酸化アルミニウム（Al₂O₃）を、**F**は酸化鉄（Fe₂O₃）を、**H**は水（H₂O）を表します。例えば、3CaO・SiO₂という複雑な化学式も、この記法では「C₃S」と簡潔に表現できます。

この略号システムは、セメント工場で品質管理を担当する技術者から研究者まで、セメント関係者が共通して使用している言語のようなものです。最初は慣れないかもしれませんが、慣れてしまえばセメントの性質を化学式から読み取ることができるようになります。

2.2 セメントクリンカーの4つの主要鉱物

セメントの性能を決定しているのは、高温で焼成されて生成される4つの主要鉱物です。これらの鉱物はそれぞれ異なる「個性」を持っており、現場での使い分けの根拠となっています。

**C₃S（エーライト）**は、セメントの「エース」とも呼べる存在で、全体の45～65%を占めています。水と反応すると比較的早く強度を発現し、初期から長期まで幅広い期間で強度発現の主役を務めます。東京スカイツリーのような高強度が要求される構造物では、このC₃Sが多く含まれるセメントが使用されています。

一方、**C₂S（ビーライト）**は「スロースターター」と呼ばれ、反応は遅いものの長期間にわたって強度を伸ばし続けます。黒部ダムのような大型構造物で使用される低熱セメントでは、このC₂Sの比率を高めて水和熱を抑制しています。

**C₃A（アルミネート相）**は「せっかち者」で、水と接触すると瞬時に反応を開始します。放置すれば瞬結を起こすため、石膏で反応を制御する必要があります。現場でセメントペーストがすぐに固まってしまわないのは、この石膏による制御のおかげなのです。

最後に**C₄AF（フェライト相）**は「バランサー」として、中程度の反応性を示し、セメントの灰色の色調を決定しています。

2.3 水和反応の基本メカニズム

水和反応とは、セメント鉱物が水と化学的に結合して、全く新しい物質を生成する反応です。これは単なる物理的な混合ではなく、分子レベルでの化学変化が起こっています。

この反応を身近な例で表現すると、セメントと水の関係は、小麦粉と水でパン生地を作る過程に似ています。ただし、パンの場合はグルテンという既存のタンパク質が網目構造を作るのに対し、セメントの場合は水との化学反応で全く新しい結合物質が生成されます。

水和反応は発熱反応でもあります。大型の構造物では、この反応熱が原因でひび割れが発生することもあるため、現場では温度管理が重要になります。実際、黒部ダムの建設では、コンクリートの内部温度が70℃を超えることもあり、冷却管を埋め込んで温度制御を行いました。

3. 主要セメント鉱物の水和反応

3.1 C₃S（エーライト）の水和反応 – 強度発現の主役

C₃Sは最も重要なセメント鉱物で、セメントの強度発現の主役です。この鉱物の水和反応は次のように表されます。

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2C₃S + 6H → C₃S₂H₃ + 3CH
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この反応で生成される最も重要な物質が**C-S-H（ケイ酸カルシウム水和物）**です。これはゲル状の構造を持ち、セメントペーストの体積の50～60%を占める最も重要な結合材です。C-S-Hは「セメントの骨格」とも呼ばれ、コンクリートの強度の源となっています。

同時に生成される**CH（水酸化カルシウム）**は、結晶性の物質で、鉄筋コンクリートにとって重要な役割を果たします。このCHが細孔溶液のpHを12.5という高アルカリ状態に保つことで、鉄筋表面に不動態被膜を形成し、腐食から保護しているのです。

C₃Sの水和反応の特徴は、比較的速い反応速度（数時間～数日）にあります。初期強度の発現に大きく寄与する一方で、水和熱の発生量も多い（約500J/g）ため、マスコンクリートでは注意が必要です。首都高速道路の橋脚工事などでは、この反応熱を考慮した施工計画が立てられています。

3.2 C₂S（ビーライト）の水和反応 – 長期強度への貢献

C₂Sの水和反応はC₃Sと似ていますが、反応速度が遅く、生成するCHの量が少ないという特徴があります。

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2C₂S + 4H → C₃S₂H₃ + CH
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C₂Sは「マラソンランナー」のような性格を持っています。反応は数週間から数ヶ月と非常にゆっくりですが、その代わり長期にわたって強度を向上させ続けます。また、水和熱の発生量も少ない（約250J/g）ため、大型構造物には適しています。

関西国際空港の人工島建設では、長期間にわたる地盤沈下に対応するため、C₂Sを多く含む低熱セメントが使用されました。このセメントは初期強度こそ低いものの、数年から数十年にわたって強度を伸ばし続け、最終的には通常のセメントと同等以上の強度に達します。

C₂Sが生成するC-S-Hは、C₃Sが生成するものよりも緻密な構造を持っており、長期耐久性の向上に寄与しています。このため、原子力発電所のような超長期耐久性が要求される構造物では、C₂Sの特性が重要視されています。

3.3 C₃A（アルミネート相）の水和反応 – 凝結の制御

C₃Aは非常に反応性が高く、水と接触すると瞬時に反応が始まるため、石膏（CaSO₄・2H₂O）を添加して反応を制御する必要があります。

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C₃A + 3CS̄H₂ + 26H → C₆AS̄₃H₃₂
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この反応で生成されるエトリンガイト（Ettringite）は針状の結晶で、セメントペーストの初期強度発現に寄与します。しかし、エトリンガイトは体積が大きいため、後から生成されると膨張によるひび割れの原因となることもあります。

現場でセメントと水を混ぜてもすぐには固まらず、数時間の作業時間が確保できるのは、この石膏による制御のおかげです。石膏がC₃Aの表面を覆うことで、急激な反応を抑制し、作業性を確保しているのです。

ただし、C₃Aは水和熱の発生量が非常に多く（約850J/g）、また硫酸塩劣化の原因物質でもあります。このため、海水や地下水に硫酸塩が多く含まれる環境では、C₃A含有量を4%以下に制限した耐硫酸塩ポルトランドセメントが使用されます。

3.4 C₄AF（フェライト相）の水和反応 – バランスの取れた反応

C₄AFの水和反応はC₃Aに似ていますが、反応速度は中程度で、より安定した反応を示します。

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C₄AF + 3CS̄H₂ + 30H → C₆AS̄₃H₃₂ + CH + FH₃
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C₄AFは「バランサー」の役割を果たし、セメント全体の性能バランスを整えています。強度への直接的な寄与は限定的ですが、セメントの特徴的な灰色の色調を決定しており、また中程度の水和熱（約420J/g）を発生します。

このC₄AFの存在により、セメントは極端な性能に偏ることなく、バランスの取れた材料として機能します。現場で使いやすいセメントが実現できているのは、このC₄AFの調整作用があってこそなのです。

4. 水和反応の進行過程と実際の現場への影響

4.1 水和反応の5つの段階

セメントの水和反応は時間軸に沿って5つの明確な段階に分けることができ、それぞれが現場での作業性や品質に大きく影響します。

**第1段階：初期反応期（0～15分）**では、セメントが水と接触した瞬間から急速な反応が始まります。この段階では主にC₃Aが石膏と反応してエトリンガイトが生成されます。現場でセメントペーストを練り始めてすぐに少し温かくなるのは、この初期反応による発熱のためです。

**第2段階：誘導期（15分～2時間）**は、現場作業者にとって最も重要な期間です。この間は反応速度が大幅に低下し、セメントペーストは流動性を保ちます。コンクリートの運搬、打設、締固めなどの作業は、この誘導期の間に完了する必要があります。夏場の暑い現場では、この誘導期が短くなるため、遅延剤を使用することもあります。

**第3段階：加速期（2～8時間）**では、C₃Sの本格的な水和が開始され、C-S-Hゲルと水酸化カルシウムが急速に生成されます。この段階で凝結が始まり終結します。現場では「コンクリートが固まった」と感じる段階ですが、実際にはまだ強度は十分ではありません。

**第4段階：減速期（8～24時間）**では、水和速度が徐々に低下し、初期強度が発現します。この段階で型枠の取外しや軽微な荷重の作用が可能になります。

**第5段階：定常期（1日以降）**では、C₂Sの水和が本格化し、長期強度が発現します。実際の構造物では、この段階が数十年にわたって続き、強度が向上し続けます。

4.2 水和熱の発生パターンと現場での対策

水和反応による発熱パターンは、現場での温度管理の重要な指標となります。第1ピーク（0～15分）はC₃Aの急速な反応による発熱で、石膏による制御がなければ瞬結してしまいます。

誘導期（15分～2時間）では発熱速度が最小となり、セメントペーストの作業性が確保されます。第2ピーク（4～8時間）はC₃Sの本格的な水和による主発熱で、最大発熱速度を示します。大型構造物では、この発熱により内部温度が80℃を超えることもあります。

東京駅の八重洲口グランルーフの建設では、大断面の梁において水和熱による温度ひび割れを防ぐため、パイプクーリング工法が採用されました。また、減速期以降（8時間～）では発熱速度が漸減し、長期にわたって緩やかな発熱が続きます。

4.3 水和度の進行と強度発現

水和度とは、セメント中の各鉱物がどの程度水和反応を完了したかを示す指標で、現場での強度管理の基礎となります。標準的な水セメント比0.5の場合、1日後にはC₃Sが約30%、7日後には約60%、28日後には約80%水和します。

興味深いことに、C₂Sの水和は非常にゆっくりで、1日後はわずか5%、28日後でも30%程度です。しかし、1年後には80%まで進行し、これが長期強度向上の源となっています。横浜ランドマークタワーでは、建設から30年以上経った現在でも、コアを採取すると当初設計より高い強度を示すことが確認されています。

完全な水和には理論的に水セメント比0.42以上が必要ですが、実際の構造物では強度と耐久性のバランスを考慮して0.25～0.65の範囲で使用されます。低水セメント比では未水和セメントが残存しますが、これは長期的な強度向上の源にもなります。

5. 水和生成物の特性と構造物への影響

5.1 C-S-Hゲル – コンクリート強度の源

C-S-Hゲル（Calcium Silicate Hydrate gel）は、セメントペーストの最も重要な水和生成物で、「コンクリートの接着剤」とも呼ばれています。この物質の化学組成は一定ではなく、C/S比が1.2～2.0の範囲で変化します。

C-S-Hゲルの構造は、ナノスケールの層状構造で、極めて大きな比表面積（200～700m²/g）を持っています。これは東京ドーム約140個分に相当する表面積が、わずか1gの中に存在することを意味します。この巨大な表面積が、セメントペーストに強度と耐久性を与えているのです。

実際の構造物では、このC-S-Hゲルがセメントペースト中の骨材を強固に結合し、一体化した構造体を形成します。あべのハルカスの高強度コンクリートでは、シリカフュームを添加することでC-S-Hゲルをさらに緻密化し、圧縮強度100N/mm²以上を実現しています。

C-S-Hゲルは物質移動の制御にも重要な役割を果たします。緻密なC-S-Hゲルは塩化物イオンや二酸化炭素の侵入を阻害し、鉄筋の腐食を防ぐバリアとして機能します。

5.2 水酸化カルシウム（CH） – 鉄筋保護の守護神

水酸化カルシウムは、C₃SとC₂Sの水和で生成される六角板状の結晶で、鉄筋コンクリート構造物にとって極めて重要な役割を果たしています。この物質は水に溶解してpH 12.5の強アルカリ環境を作り出し、鉄筋表面に不動態被膜を形成して腐食から保護します。

東京湾アクアラインの海中部分では、塩分の多い海水環境にも関わらず、この水酸化カルシウムによるアルカリ環境の維持により、鉄筋の健全性が保たれています。水酸化カルシウムは「アルカリ貯金箱」のような存在で、中性化が進行しても一定期間はアルカリ性を維持し続けます。

しかし、水酸化カルシウムは炭酸化反応の対象でもあります。大気中の二酸化炭素と反応して炭酸カルシウムに変化し、これによりpHが低下します。このため、構造物の表面から徐々に中性化が進行し、最終的には鉄筋位置まで到達すると腐食が始まります。

水酸化カルシウムはポゾラン反応の反応物でもあります。フライアッシュやシリカフュームなどの混和材が添加された場合、これらと反応して追加のC-S-Hゲルを生成し、強度と耐久性の向上に寄与します。

5.3 エトリンガイト – 初期反応の調整役

エトリンガイトは、C₃Aと石膏の反応で生成される針状結晶で、化学式C₆AS̄₃H₃₂で表されます。この物質は大きな結晶水含有量を持ち、体積膨張を伴って生成されるため、コンクリートの性能に大きな影響を与えます。

正常な水和反応では、エトリンガイトは初期の凝結制御と初期強度発現に重要な役割を果たします。針状の結晶が相互に絡み合うことで、セメントペーストに初期強度を与えます。また、空隙を充填することで、緻密性の向上にも寄与します。

しかし、硬化後にエトリンガイトが生成されると、その体積膨張により内部応力が発生し、ひび割れの原因となります。これが硫酸塩劣化の主要なメカニズムです。実際、地下鉄の一部区間では、地下水中の硫酸塩により遅延エトリンガイトが生成され、トンネル覆工コンクリートにひび割れが発生した事例があります。

現場では、エトリンガイト生成のタイミングを制御することが重要です。適切な石膏量の調整により、初期反応でのエトリンガイト生成を最適化し、作業性と初期強度を両立させています。

5.4 モノサルフェート – 長期安定性の担い手

モノサルフェートは、石膏が消費された後の長期反応で生成される板状結晶です。エトリンガイトがC₃Aとさらに反応することで生成され、エトリンガイトよりも安定な物質です。

モノサルフェートは層状構造を持ち、イオン交換能を持っています。この特性により、外部から侵入した有害イオンを吸着・固定し、コンクリートの長期耐久性向上に寄与します。また、エトリンガイトからモノサルフェートへの転換は体積減少を伴うため、適度な収縮により内部応力を緩和する効果もあります。

実際の構造物では、この転換反応が数年から数十年にわたって進行し、長期的な安定性を確保しています。原子力発電所の格納容器では、この長期安定性が特に重要視されており、モノサルフェートの生成挙動も詳細に調査されています。

6. 化学反応に影響を与える要因と現場での対策

6.1 温度の影響と季節対応

温度はセメントの水和反応速度に極めて大きな影響を与える要因です。アレニウスの式により、温度が10℃上昇すると反応速度は約2倍になることが知られています。この関係は、現場での施工計画立案の重要な基礎となっています。

夏場の高温時（30℃以上）では、反応速度が増加して初期強度が向上する一方で、急速な反応により長期強度が低下する傾向があります。これは「高温劣化」と呼ばれる現象で、C-S-Hゲルの緻密性が低下することが原因です。東京オリンピック関連施設の建設では、真夏の施工時に遅延剤の使用や氷水の利用により、コンクリート温度を35℃以下に制御する対策が取られました。

一方、冬場の低温時（5℃以下）では、反応速度が著しく低下し、強度発現が遅延します。特に0℃以下では水が凍結し、水和反応が停止してしまいます。北海道や東北地方の冬期施工では、給熱養生や保温養生により、コンクリート温度を5℃以上に保つ対策が不可欠です。

札幌ドームの建設では、厳冬期の施工において、練混ぜ水の加温、骨材の加熱、保温マットによる養生などの複合的な温度管理により、品質の確保を実現しました。また、促進剤の使用により水和反応を活性化させる手法も採用されています。

6.2 水セメント比（W/C）の影響と性能制御

水セメント比は、セメントの水和反応と硬化体の性質を決定する最も重要な要因の一つです。この比率の調整により、構造物の性能を大きく制御することができます。

低W/C（0.25～0.40）では、高強度と低透水性が得られる一方で、自己乾燥のリスクがあります。あべのハルカスの超高強度コンクリート（W/C=0.23）では、高性能減水剤と収縮低減剤を併用し、自己乾燥収縮を制御しています。また、完全水和に必要な水量が不足するため、未水和セメントが残存しますが、これは長期強度向上の源にもなります。

高W/C（0.50～0.65）では、完全水和の可能性が高まる一方で、強度と耐久性が低下します。また、余剰水によりブリーディングが発生しやすくなります。一般的な建築物では、作業性と性能のバランスを考慮してW/C=0.45～0.55程度が採用されることが多いです。

関西国際空港の人工島では、長期耐久性を確保するためW/C=0.45以下に制限し、海洋環境での100年耐久性を目標とした配合設計が行われました。現在、建設から25年以上経過していますが、設計通りの性能を維持していることが確認されています。

6.3 混和材料の効果と選択

現代のコンクリート施工では、様々な混和材料がセメントの化学反応を制御し、性能を向上させています。

高性能減水剤は、セメント粒子の分散効果により水和反応を促進し、流動性を大幅に向上させます。東京スカイツリーの建設では、高流動コンクリートにより密な配筋部分でも確実な充填を実現しました。分散されたセメント粒子は反応面積が増加し、より効率的な水和反応が可能になります。

遅延剤は、C₃Sの水和を選択的に抑制し、凝結時間を延長します。これにより、高温時でも十分な作業時間を確保できます。新東名高速道路の建設では、夏期の大型構造物施工において遅延剤により作業性を確保し、品質の均一性を実現しました。

促進剤は、特に塩化カルシウム系のものがC₃Sの水和を促進し、初期強度を大幅に向上させます。冬期施工や緊急復旧工事では、促進剤により早期脱型や交通開放を可能にしています。ただし、鉄筋腐食のリスクがあるため、使用には注意が必要です。

6.4 養生条件の最適化

適切な養生は、セメントの水和反応を完全に進行させ、所要の性能を確保するために不可欠です。

湿潤養生では、継続的な水分供給により水和反応が促進され、高強度・高耐久性が実現されます。本州四国連絡橋の建設では、海上という厳しい環境での施工において、散水養生や湿潤マットにより十分な湿潤状態を維持し、設計強度を確保しました。

一方、乾燥養生では水和反応が途中で停止し、強度発現が頭打ちになります。特に表面の乾燥は収縮ひび割れの原因となるため、初期養生が極めて重要です。高速道路の舗装工事では、養生マットによる保水と日射遮蔽により、表面品質を確保しています。

オートクレーブ養生は、高温高圧蒸気により特殊な水和物（トバモライト）を生成し、優れた寸法安定性を実現します。プレキャスト部材の製造では、この工法により短期間で高品質な製品を量産しています。

養生期間は最低3日間が必要ですが、重要な構造物では7日間以上の湿潤養生が推奨されます。原子力発電所の格納容器では、28日間の湿潤養生により、要求される高い品質を確保しています。

7. 実用的な応用と将来展望

7.1 構造物の要求性能に応じた化学反応の制御

セメント化学の理解は、構造物の要求性能に応じた最適な材料選択と配合設計を可能にします。現場のニーズに合わせて化学反応を制御することで、より良い構造物を建設できます。

超高層建築では、高いC₃S含有量のセメントと低水セメント比により、初期から高強度を確保します。東京駅前の大手町タワーでは、圧縮強度150N/mm²のコンクリートを使用し、柱断面を最小化して有効空間を最大化しています。シリカフュームの添加により、C-S-Hゲルをさらに緻密化し、長期耐久性も確保しています。

大型土木構造物では、C₂S含有量の多い低熱セメントにより、水和熱を制御してひび割れを防止します。近年建設された新名神高速道路の橋脚では、マスコンクリート用の配合により温度ひび割れを完全に防止し、100年以上の耐久性を目標とした構造物を実現しています。

緊急復旧が必要な場合は、高C₃S・高C₃A含有量のセメントと促進剤により、短期間での強度発現を図ります。東日本大震災後の復旧工事では、超早強セメントにより、わずか6時間で交通開放を可能にした事例もあります。

7.2 環境問題への対応と持続可能性

セメント産業は、CO₂排出量削減という大きな課題に直面しており、化学反応の観点からも様々な取り組みが進められています。

混合セメントの活用では、高炉スラグやフライアッシュなどの産業副産物を利用することで、C₃S含有量を低減し、水和熱とCO₂排出量を同時に削減します。横浜港の大黒ふ頭では、高炉セメントB種を使用した海洋構造物により、50年以上の耐久性を実現しながら、CO₂排出量を30%削減しています。

カーボンキュアリング技術では、製造過程で発生したCO₂をコンクリート中に注入し、炭酸化反応によりCaCO₃として固定化します。この技術により、CO₂を永久的に固定化しながら、強度向上も図ることができます。

将来的には、ジオポリマーセメントやカルシウムアルミネートセメントなど、従来とは異なる化学反応メカニズムを持つセメントの実用化も期待されています。これらの新材料は、CO₂排出量を大幅に削減しながら、従来以上の性能を実現する可能性を秘めています。

7.3 デジタル技術との融合

AIやIoT技術の発展により、セメントの化学反応をリアルタイムで監視・制御する技術が実用化されています。

スマートセンサーによる水和発熱の連続監視では、構造物内部の温度分布をリアルタイムで把握し、養生条件を自動調整します。大林組の技術研究所では、このシステムにより最適な養生条件を自動制御し、品質のばらつきを大幅に削減しています。

AIによる配合最適化では、過去の施工データと理論的な化学反応モデルを組み合わせ、現場条件に最適な配合を自動算出します。これにより、経験に頼らない科学的な配合設計が可能になっています。

3Dプリンティング技術では、セメントの化学反応特性を活用した新しい施工法が開発されています。オランダでは、特殊な急硬性セメントを使用して橋梁を3Dプリンティングで建設する実証実験が成功しており、将来の建設業界を大きく変える可能性があります。

8. まとめ

セメント化学は、セメントが水と反応して硬化する現象を分子レベルで解明する学問分野であり、現代の建設技術の基盤となっています。この記事で解説した化学反応の理解は、より良い構造物を建設するための必須知識です。

4つの主要セメント鉱物は、それぞれ異なる役割を担っています。C₃Sは初期から長期まで幅広く強度発現を担い、C₂Sは長期強度と低発熱性を提供し、C₃Aは凝結制御を行い、C₄AFは全体のバランスを整えています。これらの鉱物の特性を理解することで、用途に応じた最適なセメント選択が可能になります。

水和生成物では、C-S-Hゲルが強度の源となり、水酸化カルシウムがアルカリ性を維持し、エトリンガイトが初期反応を制御しています。これらの生成物の挙動を制御することで、構造物の性能を大きく向上させることができます。

温度、水セメント比、混和材料、養生条件などの要因は、すべて化学反応に直接影響を与えます。現場での適切な管理により、これらの要因を最適化し、設計性能を確実に実現することが可能です。

今後、環境問題への対応や新技術との融合により、セメント化学はさらなる発展を遂げることでしょう。CO₂排出量削減、長期耐久性向上、施工の自動化など、社会の要請に応える新しいセメント技術の開発において、この基礎的な化学反応の理解が重要な役割を果たし続けます。

参考文献

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4. 三浦律彦 (2020). セメントの材料化学. 大日本図書.
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