ローマンコンクリートの耐久性とストラトリンガイト：本当に「3000年コンクリート」の主役なのか？

ローマンコンクリートからストラトリンガイトが検出されたことを根拠に、「ローマンコンクリートの（約3000年におよぶ）耐久性はストラトリンガイトのおかげだ」と説明されることがあります。しかし、現時点の材料学・セメント化学の知見を整理すると、ストラトリンガイトは「重要な脇役」ではあっても、「唯一の主役」ではありません。
ストラトリンガイトは一部のローマンコンクリートで、界面を強化し割れの進展を抑える役割を果たしますが、ストラトリンガイトがほとんどないのに非常に耐久なローマンコンクリートも存在します。また、ストラトリンガイトの形成条件自体が「低 Ca/Si の C-A-S-H、ポゾラン反応の進行、ポートランド石の消失」といった耐久性に有利な環境の指標になっています。

主なポイント

ストラトリンガイトは一部のローマンコンクリートで「割れの進展を止める補強クリスタル」として機能していることが、Trajan の市場のモルタル再現実験と 1900 年経過モルタルの解析から示されている。(PubMed)
一方で、Caecilia Metella の墓や海洋コンクリートのように、ストラトリンガイトが少ない／ほぼないのに極めて耐久なローマンコンクリートも多数あり、「耐久性＝ストラトリンガイト」の図式は明確に誤りである。(ResearchGate)
ストラトリンガイトは、層状のカルシウムアルミノケイ酸塩水和物（C-A-S-H 系 AFm 相）で、二重四面体層がきわめて安定で、硫酸塩・炭酸塩環境でも 55 ℃程度まで分解しにくいことが示されており、化学的に堅牢な相である。(スプリンガーリンク)
ローマンコンクリートでは、ストラトリンガイトが「火山砕屑物とモルタルの界面」を板状結晶で埋め、微小ひび割れの進行を曲げ・止めることで、破壊靭性を高めていると解釈できる。ただし、これは耐久性要因の一部に過ぎない。(PubMed)
まとめると、通説「ローマンコンクリートの超耐久性＝ストラトリンガイトの効果」は単純化され過ぎであり、正しくは「ポゾラン系 C-A-S-H、アルトバモライト、石灰クラスターの自己治癒など複数要因の中の一つ」と位置づけるのが妥当である。(Science)

基本概念・定義

ローマンコンクリートとは？

古代ローマのコンクリートは、現代のポルトランドセメントとは全く異なる組成です。

結合材：焼石灰（CaO）＋火山灰（ポッツォラーナ）
骨材：火山礫・凝灰岩・レンガ片など
水和生成物：カルシウム–アルミノ–ケイ酸塩水和物（C-A-S-H）、アルトバモライト、ストラトリンガイトなど、低 Ca/Si のポゾラン系水和物が主役(PubMed)

代表例として、Trajan の市場（110 CE 前後）、Caecilia Metella の墓（紀元前 30–10 年頃）、港湾施設（Cosa, Portus Julius 等）のコンクリートが知られ、いずれも約 2000 年スケールで構造的に健全です。

ストラトリンガイトとは？

ストラトリンガイト（strätlingite）は、以下の特徴を持つ水和物です。

化学式：2CaO·Al₂O₃·SiO₂·8H₂O（C₂ASH₈）
分類：AFm 型のカルシウムアルミノケイ酸塩水和物（C-A-S-H 系）
結晶構造：
- Ca を含む層と、Al/Si の四面体からなる二重四面体層が交互に積層した層状構造
- 層間に水分子が存在し、板状（ヘキサゴン状）の結晶として析出する(RRUFF)
生成場面：
- 高アルミナセメント（CAC）、CSA セメント、ポゾラン＋ Ca(OH)₂ 系
- ローマンコンクリートのような、Al を含む火山灰＋石灰の長期反応環境

ストラトリンガイトはローマンコンクリートの耐久性に本当に寄与しているのか？

1. 「寄与している」と言える証拠

最もはっきりした証拠は、Trajan の市場の壁モルタルに関する Jackson らの PNAS 論文です。(PubMed)

再現モルタル（石灰＋Pozzolane Rosse 火山灰）を 6 ヶ月以上養生すると、
- C-A-S-H（Ca/(Si+Al) ≈ 0.8–0.9）の生成
- 90 日以降にストラトリンガイトとシリカリッチハイドロガーネットが析出
180 日材では、ストラトリンガイトが火山スコリア粒子の周囲に板状結晶として析出し、界面領域を「ブリッジング」するように充填しているのが観察されています。
1900 年経過した実物モルタルでは、
- C-A-S-H の Ca/(Si+Al) が 0.45–0.75 とさらに低カルシウム化
- スコリア周辺やセメントマトリックス中に、2〜30 µm 程度の板状ストラトリンガイトが密集していることが示されました。
破壊靭性試験と X線 CT の解析から、割れが界面に達しても、ストラトリンガイトの群晶で曲げられたり止められたりするため、マクロな割れが進展しにくいことが分かっています。(PubMed)

この結果から、少なくとも「Trajan の市場の壁コンクリート」に関しては、

ストラトリンガイトは、界面ゾーンを補強し、割れ進展を抑制することで耐久性（特に破壊靭性）に積極的に寄与している

といえます。

2. しかし「主役」ではないという証拠

同じ Jackson グループが解析した Caecilia Metella の墓のモルタルでは、状況がかなり異なります。(ResearchGate)

このモルタルでも、結合材の主相は C-A-S-H ですが、
- ストラトリンガイトは「テフラ界面の局所」にごく限られて存在するのみ
- 代わりに、アルトバモライトや著しく再構成された C-A-S-H が主な耐久相
Leucite（カリ長石に似た K-rich フェルドスパトイド）などの溶解により、長期間にわたって K⁺, Al³⁺ が供給され、
- C-A-S-H が「ひも状」「フィルム状」に再配列し、
- マイクロクラックの表面まで含めて全面的な再結晶・緻密化が起きていると報告されています。(ResearchGate)

さらに、海洋ローマンコンクリート（港湾施設）では、

主な耐久相はAl を含むトバモライト（Al-tobermorite）とフィリップサイトなどの沸石であり、ストラトリンガイトは主要相ではありません。(The American Ceramic Society)

2023 年の Sci. Adv. の研究では、「ローマンコンクリートの自己治癒機構」として、

高温混合（hot mixing）による石灰クラスターの残存と、
ひび割れ部への Ca²⁺ 溶出 → C-S-H や方解石（カルサイト）の再沈殿

が強調されており、ここでもストラトリンガイトは「もしあればプラス」程度の位置づけです。(Science)

つまり、

ストラトリンガイトが多量に存在するローマンコンクリート（Trajan の市場など）は確かにある
しかし、ストラトリンガイトがほとんどないのに 2000 年スケールで健全なローマンコンクリートも多数存在する

→ 「ローマンコンクリートが極めて長寿命なのはストラトリンガイトのおかげ」という通説は、明確に言い過ぎであり、誤解を含んだ単純化だといえます。

ストラトリンガイトのどんな構造・性質が耐久性に寄与しうるのか？

ここからは、「もしストラトリンガイトが存在する場合」に、どのようなメカニズムで耐久性に効きそうかを整理します。

1. 結晶構造と化学的安定性

層状構造と二重四面体層

ストラトリンガイトは、Ca–O 多面体層と Al/Si 四面体からなる二重四面体層が積層した層状構造を持ちます。(RRUFF)
この二重四面体層が非常に安定で、
- 硫酸塩 AFt（エトリンガイト）、AFm
- 炭酸塩 AFm、カルサイト
  との共存条件（20〜55 ℃）においても、構造がほとんど変化しないことが示されています。(スプリンガーリンク)

ポイント
→ ローマンコンクリートのように、長期間湿潤＋CO₂・SO₄²⁻ が少しずつ供給される環境でも、ストラトリンガイトは比較的分解しにくい「粘り強い」相だと考えられます。

硫酸塩・炭酸塩への耐性

Okoronkwo & Glasser (2016) の系統的実験では、(スプリンガーリンク)

20〜55 ℃の範囲で
- 石膏（CaSO₄·2H₂O）、エトリンガイト（SO₄-AFt）、硫酸塩 AFm
- カルサイト（CaCO₃）、炭酸塩 AFm/AFt
  とストラトリンガイトを共存させても、
- ストラトリンガイトの XRD ピーク位置や構造はほとんど変化しない
- SO₄²⁻ や CO₃²⁻ の固溶はごく僅か
結論として、pH ≈ 12 のポルトランド系セメント環境で、ストラトリンガイトは硫酸塩・炭酸塩に対して高い耐性を持つ AFm 相とされています。

これは、

エトリンガイトやモノサルフェートのように「膨張や分解を起こしやすい相」と比べて、
ストラトリンガイトは長期的に相変化を起こしにくく、体積安定性に優れた補強相

であることを示唆します。

温度・炭酸化に対する挙動（最近の日本の研究）

日本のセメント協会の近年の研究では、合成ストラトリンガイトに対して

熱履歴（〜150 ℃までの加熱）による構造変化(J-STAGE)
促進炭酸化による構造劣化とバテライト（vaterite）生成(J-STAGE)

が詳細に調べられています。

大まかなポイントだけ抜き出すと：

150 ℃加熱で main layer の結合が部分的に切断される一方、interlayer の結合は残存
炭酸化では、
- ストラトリンガイトが部分分解し、バテライトが生成
- 二重四面体層の乱れと脱水により、結晶性が低下

→ 高温や強制的な炭酸化環境では劣化しうるものの、常温〜中温で緩やかに CO₂ にさらされる程度のローマンコンクリート環境では、非常に長期にわたって安定しうることを裏付ける結果と解釈できます。

2. 微細構造レベルでの「補強材」としての役割

Trajan の市場モルタルで観察されたストラトリンガイトの役割を、微細構造レベルで整理すると以下のようになります。(PubMed)

生成位置
- 火山スコリアや凝灰岩骨材の周囲（界面遷移ゾーン：ITZ）
- モルタルマトリックス中の微細空隙
形状
- 数 µm〜数十 µm の板状結晶
- 何層も重なった「束」のような群晶
メカニズム
- 骨材–モルタル界面の空隙を埋め、C-A-S-H と一体化
- 微小ひび割れが進展するとき、ストラトリンガイト板が「ブリッジ」として働き、
  - ひび割れを曲げる（経路を長くする）
  - ひび割れ面を締結する（引き抜き抵抗）
マクロ効果
- 破壊靭性の増大（G_f の増加）
- ひび割れの安定成長 → 崩壊に至るまでの余裕が大きい

現代でいうと、繊維補強コンクリート（FRC）の内部に、自然発生した「無数のナノ～マイクロファイバー」が存在しているようなイメージに近いです。

3. C-A-S-H 組成とポロシティへの間接的な貢献

ストラトリンガイトの生成条件は、

Ca が過剰ではなく、ポートランド石（Ca(OH)₂）がほぼ消費された状態
Al と Si を供給する火山灰・粘土鉱物・沸石が十分に存在
高 pH（石灰水）環境が長期に維持される

といった、「低 Ca/Si の C-A-S-H が支配するポゾラン系モルタル」そのものです。(スプリンガーリンク)

これは、

ポートランド石が大量に残る OPC コンクリートと比べて、
- 溶脱や軟化を起こしやすい相（Ca(OH)₂）が少ない
- C-A-S-H がアルミニウムを取り込み、より交差結合したネットワーク構造を形成しやすい(ACS Publications)
その結果、
- 緻密な微細孔構造
- イオン浸透や凍結融解への抵抗性の向上

につながります。

つまり、ストラトリンガイトができている＝C-A-S-H 系が十分にポゾラン反応を進めた、成熟した低 Ca/Si 相であるという「マーカー」としての意味も大きく、それ自体が耐久性に有利な環境を示しています。

ローマンコンクリートの耐久性は「ストラトリンガイトだけ」では説明できない

ここまでを見ると、ストラトリンガイトは確かに良い仕事をしていますが、「耐久性の決定因子」はもっと多次元的です。

他に重要な要因（ローマンコンクリート全般）

火山灰ポゾラン＋石灰による C-A-S-H 主体の結合材
- 高アルカリ・低 Ca/Si の C-A-S-H は、ポルトランド系 C-S-H より溶解度が低く、長期的に安定。(北大エプリント)
アルトバモライト（Al-tobermorite）などの結晶性 C-S-H
- とくに海洋コンクリートでは、海水との長期反応で Al-tobermorite が生成し、継続的な緻密化・自己治癒が起きる。(The American Ceramic Society)
高温混合（hot mixing）と石灰クラスターによる自己治癒
- 消し石灰を高温で火山灰と混ぜた結果、未反応の「石灰クラスター」が残り、ひび割れに水が入るたびに Ca²⁺ を供給してひびを塞ぐ。(Science)
塊状（マッシブ）構造・鉄筋無し設計
- 断面が巨大で、鉄筋腐食というモードが存在しない
- 有害な応力集中が起こりにくい幾何学・荷重条件
環境条件と長期の「ゆっくりした反応」
- 地下水や雨水とのごく緩やかな反応が数百〜数千年続き、
  - C-A-S-H の再構成
  - 沸石や feldspathoid の溶解・再沈殿
- これらが時間をかけてマイクロクラックを埋め、界面を強化していく。(ResearchGate)

このように、ストラトリンガイトはあくまで複数の自己治癒・再結晶プロセスの一つの産物であり、それ単独でローマンコンクリートの超耐久性を説明するのは無理があります。

注意点・ベストプラクティス（現代コンクリートとの関係で）

「じゃあ、現代コンクリートでもストラトリンガイトをいっぱい出せばローマン並みになるの？」という問いに対しての注意事項です。

ストラトリンガイトは「結果」であって「魔法の添加剤」ではない
- ストラトリンガイトは
  - 高アルミナ
  - ポゾラン
  - 十分な Ca(OH)₂
    が長期に反応した結果として現れる相です。
- 単に粉末を混ぜれば OK という性質ではなく、系全体の Ca/Si/Al 比と水和プロセスを設計する必要があります。(スプリンガーリンク)
CAC・CSA・カルシンドクレイ系では既にストラトリンガイトが広く研究されている
- 高アルミナセメント（CAC）＋シリカフュームやゼオライト
- CSA セメント＋スラグ／石灰石
- OPC＋カルシンドクレイ（LC³ 系）
  などで、ストラトリンガイトは強度回復や耐久性向上に寄与することが報告されていますが、
- それでも「ローマン並みの 2000 年耐久性」を保証するわけではありません。(ceramics-silikaty.cz)
ポロシティ、収縮、ひび割れ制御とのバランスが重要
- ストラトリンガイトが増えると、
  - ポロシティ低下 → 耐久性向上
  - しかし、収縮や自己ひび割れが増える可能性も
- ローマンコンクリートは塊状＆低応力でこれを吸収できましたが、
  - 現代のスリムな RC 造では同じやり方は通用しません。
まとめると
- ストラトリンガイトは、**低 Ca/Si の C-A-S-H 系を設計する際の「心強い仲間」**ではあるが、
- 現代構造での耐久設計には、
  - 水結合材比
  - 収縮制御
  - 鉄筋防錆
  - 施工・養生
    を含む総合的設計が不可欠であり、「ストラトリンガイトさえあれば OK」というものではありません。

FAQ

Q1. すべてのローマンコンクリートにストラトリンガイトがあるのですか？

いいえ。Trajan の市場など、室内建築コンクリートの一部では豊富に見られますが、Caecilia Metella の墓や海洋港湾コンクリートでは、ごく局所的か、ほとんど検出されない例もあります。(PubMed)

Q2. ストラトリンガイトがあれば、現代コンクリートでも 1000 年持ちますか？

ストラトリンガイトの存在は長期安定性にプラスですが、それだけで 1000 年耐久を保証することはできません。
構造設計・荷重条件・環境・ひび割れ制御・鉄筋腐食など、他の要因が支配的な場合も多く、「必要条件の一部」になりうる程度と考えた方が現実的です。

Q3. ストラトリンガイトはエトリンガイトのような膨張トラブルを起こしませんか？

現時点の研究では、ストラトリンガイト自体が異常膨張の主要原因とされた例はほとんどありません。
むしろ、硫酸塩・炭酸塩に対して安定で、エトリンガイトや炭酸塩 AFm と共存できることが示されており、膨張トラブルよりは安定化側に働く相とみなされています。(スプリンガーリンク)

Q4. ストラトリンガイトはローマンコンクリートの「自己治癒」にも関係しますか？

直接「割れに後から析出する自己治癒相」としての証拠は限定的ですが、長期にわたる火山砕屑物の溶解と Ca の供給により、界面や微細空隙にストラトリンガイトが増えていくことは示されています。(PubMed)
これは、「超長期スケールの緩やかな自己治癒」の一部を担っていると解釈できます。

Q5. 「3000年耐久」という表現は正しいですか？

現存するローマンコンクリート構造物の多くは、紀元前 2 世紀〜紀元後 2 世紀頃の建設で、約 2000 年スケールです。3000 年という数字はやや誇張気味の表現と考えるのが妥当です。(PubMed)

まとめ：通説は「半分正しい」が、「ストラトリンガイト＝万能説」は誤り

ストラトリンガイトは、
- 耐硫酸塩・耐炭酸化に優れた安定な C-A-S-H 系 AFm 相であり、
- ローマンコンクリートの一部では、界面ゾーンを補強し割れを曲げる「天然の微細繊維」のように働いています。(PubMed)
しかし、
- ストラトリンガイトがほとんどないのに長寿命なローマンコンクリートも多数あり、
- アルトバモライト、ポゾラン反応 C-A-S-H、高温混合による石灰クラスター、構造設計など、他の要因が同等かそれ以上に重要です。(ResearchGate)
よって、
- 「ストラトリンガイトがローマンコンクリートの耐久性に寄与するか？」という問いには
  → 「一部の構造では確実に寄与している」
- 「ストラトリンガイトがローマンコンクリートの超耐久性の主原因か？」という問いには
  → 「いいえ。複数要因のうちの一つに過ぎない」

と答えるのが、現時点の文献に基づく妥当な結論です。

参考文献（DOI 付き・代表的なもの）

Jackson, M. D. et al. Mechanical resilience and cementitious processes in Imperial Roman architectural mortar. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 111, 18484–18489 (2014). doi:10.1073/pnas.1417456111 (PubMed)
Seymour, L. M. et al. Reactive binder and aggregate interfacial zones in the mortar of Tomb of Caecilia Metella concrete, 1C BCE, Rome. J. Am. Ceram. Soc. 105, 1503–1518 (2022). doi:10.1111/jace.18133 (ResearchGate)
Jackson, M. D. et al. Mechanistic insights into the durability of ancient Roman concrete. Sci. Adv. 9, eadd1602 (2023). doi:10.1126/sciadv.add1602 (Science)
Okoronkwo, M. U., Glasser, F. P. Strätlingite: compatibility with sulfate and carbonate cement phases. Mater. Struct. 49, 3569–3577 (2016). doi:10.1617/s11527-015-0740-1 (スプリンガーリンク)
Kunhi Mohamed, A. et al. The atomic-level structure of cementitious calcium aluminate silicate hydrate. J. Am. Chem. Soc. 142, 11060–11071 (2020). doi:10.1021/jacs.0c02988 (ACS Publications)
Rinaldi, R., Sacerdoti, M., Passaglia, E. Stratlingite: crystal structure, chemistry, and a reexamination of its polytype vertumnite. Eur. J. Mineral. 2, 841–849 (1990). doi:10.1127/ejm/2/6/0841 (RRUFF)
Kwan, S., LaRosa, J., Grutzeck, M. W. 29Si and 27Al MASNMR study of strätlingite. J. Am. Ceram. Soc. 78, 1921–1926 (1995). doi:10.1111/j.1151-2916.1995.tb08910.x (Wiley Online Library)
北川遥喬ほか「ストラトリンガイトの結晶構造に及ぼす熱履歴の影響」セメント・コンクリート論文集 77(1), 2–8 (2024). doi:10.14250/cement.77.2 (J-STAGE)
久保田雅也ほか「合成ストラトリンガイトの促進炭酸化挙動に関する一考察」セメント・コンクリート論文集 78(1), 229–236 (2025). doi:10.14250/cement.78.229 (J-STAGE)