高温セットが材の強度劣化に及ぼす影響
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研究報告 / 群馬県林業試験場
09186115
工藤,康夫
小林,慧町田,初男
井道,裕史
群馬県林業試験場
23号
p. 53-63
2019年5月

農林水産省 農林水産技術会議事務局筑波産学連携支援センター
Tsukuba Business-Academia Cooperation Support Center, Agriculture, Forestry and Fisheries Research Council
Secretariat

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高温セットが材の強度劣化に及ぼす影響
Effectsofah
igh‑temperatur
esettingmethodonthestrengt
hdeteriorationofwood
工藤康夫・小林慧•町田初男＊•井道裕史＊＊

要旨

1 高温セット材の曲げ強度は、セット温度、セット時間による影響を受けていなかった。
2 無欠点小試験片によるせん断試験の結果、セット時間が長くなるほど、せん断強度の低下が認められた。
3 実大試験体によるせん断試験の結果、セット時間が長くなると内部割れが増大し、さらにその内部割れがせん断強度の低下に影響を及ぼしていることが認められた。

キーワード：スギ、高温セット、曲げ強度、せん断強度

I はじめに
木材の高温乾燥は、乾燥時間の大幅な短縮、ユーザーからのクレームの原因となる心持ち材の表面割れを大幅に減少する利点がある一方で、内部割れや熱に起因すると考えられる強度の劣化が危惧されている。近年は、高温セット後、中温乾燥や天然乾燥に移行する乾燥スケジュールが一般的になっているが、内部割れは高温セット後の乾燥の段階で発生することが報告されており（中嶋ら， 2014)、高温セットを用いた木材乾燥では内部割れの発生を完全に抑えることは困難である。内部割れによる強度劣化は、特に梁桁材に使用される横架材の場合に影響が大きい。横架材は曲げ荷重が加わる場所に用いられるが、曲げ強度の特性として、材の中立軸上にせん断応力の最大値が加わるため、高温セットにより発生した内部割れが、せん断強度を低下させる大きな原因となりうることが考えられる（秋田県立大学木材高度加工研究所， 2011)。さらには、せん断の影響を含んだみかけで評価される曲げヤング係数の低下が懸念される。
そこで本研究では、高温セットによる材の劣化を明らかにするため、高温セットの温度や時間が曲げ強度及びせん断強度に与える影響を、高温セットの温度や時間を変えて調査した。
また、得られた結果から、生産現場で活用可能な強度等級評価の高い高温セットスケジュールを提案した。

1
1 材料と方法

1 曲げ強度試験
群馬県産スギから製材した幅 135mmXせい 200mmX長さ 4,500mmの未乾燥の心持平角材50体を、蒸気式木材乾燥機（日本電化工機（株）製、 DKSH‑15HT) を用いて、 3条件により蒸煮、高温セットと中温乾燥の組み合わせ乾燥を行った（表ー 1)。なお、仕上がり含水率は全て 20％を目標とした。表一1の処理後に屋内で数か月間養生を行い、帯鋸製材機（イシタ製 IAT‑1100) で幅 120mmXせい 180mmX長さ 4,500mmに仕上げた。

＊ 群馬県立農林大学校 ＊＊ 国立研究開発法人森林総合研究所‑ 53 ‑曲げ強度試験は、万能強度試験機（インストロン・ジャパン製 5582EX/H) を使用し、構造用木材の強度試験マニュアル（日本住宅・木材技術センター， 2011) に準じて、支点間 18h=3,240mm、荷重点間6h=l,080mm、載荷速度 20mm/minで 3等分点 4点曲げ試験を行った。曲げヤング係数は、全区間に対する中央の変位からせん断の影響を含んだみかけの曲げヤング係数を算出した。曲げ試験終了後、非破壊部分を切り出してその重量を測定し、恒温器中で 103士2℃で恒量になるまで静置して全乾法による含水率を求めた。
曲げヤング係数及び曲げ強度が含水率の影響を受けるのを防ぐため、 ASTMD2915の補正式を用いた。
含水率 10％以上 20％以下の範囲について、表ー 2に示す補正係数 km‑f （曲げ強度）、 km‑E （曲げヤング係数）により含水率 15％時の値に補正した。
表ー 1 曲げ強度試験の乾燥スケジュール
試験
蒸煮
スケジュール体数蒸煮温度
処理時問
（℃）

110℃ 24h

1580

120℃ 20h

2090125℃ 48h

159010時間
または設定温度到達時間

乾燥

高温セット処理
乾球温度
（℃）

湿球温度
（℃）

処理時間
(h)

乾球温度
（℃）

湿球温度
（℃）

処理時間
(h)

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24906021612090

209060168

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表ー 2 ASTMD2915の補正式
km‑f= 1.25/ (1.75‑0.0333M)
km‑E=l.14/ (1.44‑0.02M)

M ：試験時の含水率（％）
2 せん断強度試験

曲げ強度試験とは別に、幅 135mmXせい 200mmX長さ 4,000mmの未乾燥のスギ心持平角材 56体を、長さ1,000mmと3,000mmに切断してエンドマッチングを行った（図ー 1)。 1,000mm材は桟積みの上、室内で重量変化が無くなるまで天然乾燥を行い（以下、 A D材）、一方の 3,000mm
材は蒸気式木材乾燥機（日本電化工機（株）製、 DKSH‑15HT) を用いて 5条件による乾燥を行った（以下、 K D材、表ー 3)。乾燥終了後は数か月間室内で養生を行った。なお、仕上がり含水率は 20％を目標とした。

表ー 3 いす型せん断強度試験の乾燥スケジュール
蒸煮試験

スケジュール体数

蒸煮温度（℃）

110℃ 12h

1280

110℃ 24h

1080

120℃ 12h

1290

120℃ 20h

1290

120℃ 48h1090

処理時間(h)

10時問または設定温度
到達時問

乾燥

高温セット処理
乾球温度（℃）

湿球温度（℃）

処理時間
(h)

乾球温度
（℃）

湿球温度
（℃）

処理時間
(h)

1108012906021611080249060168120901290601681209020906016812595489060168(1) 無欠点いす型小試験片によるせん断試験

乾燥と養生終了後、 A D材、 K D材より、切断面の約 100mm付近から厚さ 40mmの試験片採取用板を‑ 54 ‑採取した。バンドソーと糸鋸を用いて板を 24分割の上、断面位置により番号を付し（図ー 1、図ー 2)、高さ 40mm、幅 30mm、奥行 30mm、加工面切り取り深さ各 10mmの無欠点いす型小試験片（図ー 3) を作製した。
デジタルノギスを用いて全ての試験片のせん断面高さ及び幅を計測してせん断面の面積を求めた
後、万能強度試験機（インストロン・ジャパン製 5582EX/H) を使用し、 JISZ2101に準じて載荷速度lmm/minで最大荷重を測定した。最大荷重をせん断面積で除してせん断強度を算出した。せん断試験終了後、試験片の重量を測定し、恒温器中で 103士 2℃で恒量になるまで静置して全乾法による含水率を求めた。それぞれの高温セット処理条件による K D材のせん断強度と、エンドマッチングした A D材のせん断強度を比較した。なお、無欠点試験片による試験を行う目的から、節や割れがある試験片は欠点材として比較評価の対象から除外した。

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切断面から約 100mm

図ー 1 試験体の切断及び試験片採取用板の採取方法
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断面．

30mm

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図ー 3 無欠点いす型小試験片
図ー 2試験片の分割方法(2) 実大いす型試験体によるせん断試験

乾燥、養生終了後、 A D材
、 K D材からバンドソーを用いて試験片採取用板の採取箇所隣接部（図‑4) から、せん断面が材の中立軸と一致するよう（図ー 5)、図ー 6に示す実大いす型試験体（高さ120mm、幅 120mm、奥行 120mm、加工面切り取り部高さ 40mmX奥行60mm) を作製した。デジタルノギ‑ 55 ‑

スを使用して、せん断面高さ及び幅を計測してせん断面の面積を求めた後、せん断面から 20mm以内に存在する全ての割れについて、内部割れと表面割れに分類の上、せん断面に平行となる最大割れ長さを計測した（図ー 7)。これにより計測された表面割れの長さは製材品本来の表面割れ深さ、また内部割れの長さは製材品の内部割れ幅に該当するが、本研究ではこれらを全て割れ長さ累積として分析した。
せん断試験は、 3000kN油圧式短柱圧縮試験機（前川試験機製作所製、 A‑300‑B4) に実大いす型治具を設置して実大いす型試験体が破壊に至るまでの最大荷重を測定した（図ー 8)。最大荷重をせん断ッチングした天然乾燥のせん断強度を比較した。

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面積で除してせん断強度を算出した。それぞれの高温セット処理条件によるせん断強度と、エンドマ

図ー 4 実大いす型試験体採取位置

図ー 5 実大いす型試験体木取‑ 56 ‑

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図ー 6 実大いす型試験体

図ー 7 割れの測定方向

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図ー 8 実大せん断強度試験

m 結果及び考察ー

曲げ試験

図ー 9に、曲げヤング係数と曲げ強度の関係を示す。比較として別途試験（工藤ら， 2014) で用いたスギニ番玉から製材して中温乾燥 (85℃)した心持平角材（以下、二番玉中温という）の曲げ強度と曲げヤング係数の関係を併記した。全ての高温セット条件で曲げヤング係数と曲げ強度に高い相関関係 (R2>0.6) が認められ、回帰直線は二番玉中温とほぼ同様の傾向を示していた。
また、 Steel‑Dwassによる多重比較の結果、二番玉中温と各高温セット条件の間、及び、全ての高温セット条件の間で曲げ強度、曲げヤング係数に有意差が認められなかった (p)0.
05)。さらに、いずれの高温セット条件も各強度等級の基準強度をほぼ上回っていた。
このことから、今回実施した高温セット条件では高温セットの温度、時間ともスギの曲げ強度に影響を与えないことが確認された。

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I（比較）中温乾燥
y=5.
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737〇 （比較）二番玉中温
70125℃ 48hセット: y=6.6321x‑11.
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2=0.817:，□110゜C24hセット
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唸は゜523‑70基準値：：無等級材の基準強度 (22:2N/mm‑‑‑‑＝‑‑―‑〜‑‑‑‑‑0‑i °----~~----------------~---------------—•—‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑
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I強度等級
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2 せん断強度試験(1) 無欠点いす型小試験片によるせん断強度試験

図ー 10に無欠点小試験体によるせん断強度試験の結果を示す。図中横軸は高温セットの温度と時間の条件を、 ADは高温セ ット条件それぞれのエンドマッチングをした天然乾燥材（以下、対比 AD という）の結果を示す。また、中心の点は平均値、エラーバーは標準偏差を表す。全ての高温セット条件において、対比 A Dと比べてせん断強度の平均値が低い値を示していた。各高温セット条件の結果と、対応する対比 A Dの間で t検定を行った結果、 120℃ 12hでは有意差は認められなかったが、 3条件で (110℃ 24h、120℃20h、 125℃ 48h) 有意水準 1％で有意差が認められ、また 110℃ 12hで有意水準5％で有意差が認められた。高温セット時間が長いほど対比 A Dとのせん断強度の差が大きかった。

このことから、高温セット温度が同じ、もしくはほぼ同じ場合、処理にかかる時間が長いほど材の強度劣化が生じ、せん断強度が低下することが確認された。

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図ー 10 無欠点いす型小試験体によるせん断強度試験の結果＊＊＊ 有意水準 1％で有意N.S

有意水準 5％で有意有意差なし(2) 実大いす型試験体によるせん断強度試験

図ー 11から図ー 15に実大いす型試験体による高温セット処理条件別の割れ延長を示す。それぞれ対比 A Dの表面割れを併記した。
各条件とも、対比 A Dに比べて表面割れが大幅に少ないこと、また高温セットの表面割れと対比 ADの表面割れの累積出現頻度線がほぼ同様の傾向を示していた。このことから全ての条件で表面割れの抑制効果があることが認められた。また、図ー 16に110℃ 12hと110℃ 24hの内部割れの比較、図ー 17に120℃ 12h、 120℃ 24h、 125℃ 48hの内部割れの比較を示す。同一、またはほぼ同一の高温セット温度の場合、処理時間が長くなるほど内部割れが増大していた。このことから、高温セット材でみられる内部割れはセット処理時間の影響を大きく受けると推察される。
今回実施した高温セット条件の中で、表面割れ、内部割れのいずれも少ない 110℃ 12h、 120℃ 12hが最も割れの抑制効果があるセット条件であると考えられる。

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図ー 12 110℃ 24hの割れ

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表面割れ

•図ー 1
3 120℃ 12hの割れ

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割れ延長 (mm).9.6I゜．
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図ー 1
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10℃ 12hの割れ．
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割れ延長 (mm)150

図ー 14 120℃20hの割れ￨ ‑....内部割れ
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゜…◇・・（対比）AD表面割れ

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図ー 1
5 1
25℃48hの割れ

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内部割れ延長 (mm)図ー 16 セット時間別内部割れ比較

図ー 17 セット時間別内部割れ比較（120"‑'125℃)(110℃)

図ー 18から図ー 22に、実大試験体せん断強度の各セットスケジュールと対比 A Dの関係を示す。各条件ともスギのせん断強度の基準強度である 1.8N/mm2 をほぼ上回っていた。なお、 110℃ 24h対比 ADで0.60N/mm尺 120℃ 20h対比 A Dで0.71N/mm尺 125℃ 48hで 1.l8N/mm2と、せん断強度の基準値を大幅に下回った試験体があったが、 これらは割れ延長が内部割れで 75mm、表面割れで 100mmを越えたものであった。
無欠点いす型小試験体によるせん断強度では、 高温セットの時間が長くなることによって熱による強度劣化が生じ、結果的にせん断強度が低下するとことが確認されたが、実大試験体によるせん断強度は、各セットスケジュールとも高温セット材に比べて対比 A Dのせん断強度が相対的に低い傾向がみられながらも、それぞれのセットスケジュールと対比 A Dでt検定を行った結果、各セットスケジュールとも有意水準 5％で有意差は認められなかった。
‑ 60 ‑

このことから、実大試験体によるせん断強度は、熱による強度劣化の他、内部割れ及び表面割れの影響を強く受けると推察される。そこで、図ー 23に長さ 1mm以上の内部割れ延長とせん断強度の関係を示した。その結果、内部割れ延長とせん断強度には負の相関関係が認められ、相関係数r=‑0.
44（決定係数 r2=O.195) であった。他の研究事例でも、内部割れが大きくなるに従って、せん断強度が低下したとする報告があり（井道ら， 2005)、高温セットによって発生した内部割れがせん断強度の低下に影響を及ぼすと考えられる。
また、対比 A Dの試験体では、割れの長さが 100mmを越えたもの以外にも基準強度を下回るものが複数存在したことから、表面割れもせん断強度に大きな影響を及ぼすと考えられるが、表面割れ長さとせん断強度の関係には相関関係が認められなかった。
以上の結果から、高温セット処理温度が同ーであっても、処理の時間が長くなると材の強度劣化が一生じ、同時に内部割れが増大してせん断強度が低下することが確認された。このことから、せん断強能な限り短縮することが望ましい。

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図ー 20120℃ 12hと対比ADのせん断強度の関係

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図ー 21 120℃20h と対比ADのせん断強度の関係（いす型実大試験体）

120℃ 12hと対比ADに有意差なし

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図ー 191
10℃24h と対比ADのせん断強度の関係（いす型実大試験体）•~1.
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図ー 18110℃ 12hと対比ADのせん断強度の関係

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度の低下を防ぐためには、高温セットにより確実に表面割れを抑えながら、高温セット処理時間を可（いす型実大試験体）
図中〇：表面割れ延長 100mm以上‑ 61 ‑

120℃20hと対比ADに有意差なし/‑/,/‑2E,E／‑N81/9.s
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図ー 22 125℃48h と対比ADのせん断強度の関係（いす型実大試験体）
図中の 0:内部割れ延長 75mm以上
125℃48hと対比ADに有意差なし．
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内部割れ延長 (mm)図ー 23 内部割れとせん断強度の関係（全セットスケジュール）nr おわりにー

材の強度劣化を防ぐ高温セ ッ トスケジュールの検討

今回試験を行った高温セット処理条件はいずれも曲げ強度、表面割れの発生量や延長に大きな差が無かった。高温セット最大の目的である表面割れの抑制については乾球温度が 110℃以上で、乾湿温度差30℃であれば、いずれの温度設定でも表面割れの抑制に大きな差は無いと推察できる。しかし、セット時間が長くなるに従って材の強度劣化や内部割れの増大を引き起こし、結果的にせん断強度の低下を招く恐れがあることが確認されたことから、高温セ ッ ト時間はできるだけ短時間とする必要がある 。
今回の試験の結果から、高温セ ッ ト時間は 12時間程度で十分であると結論づけることができたものの、乾燥材生産工程の実情、乾燥機の容量や仕様、ボイラー等熱源の能力、また外気温などの現場要素を考慮した場合、表ー 4に示す蒸煮終了後セ ッ ト温度到達までに要する時間を見込んだセット時間の設定が推奨される。
‑ 62 ‑

表ー 4 強度低下を防ぐ高温セット推奨スケジュール（スギ心持材 130mmX200mm)
芸裔温セット処理者

乾燥工程（参考）

スケジュール 蒸煮温度（゜C) 処理時問(h)

乾球温度
゜（C)

湿球温度
゜（C)

処理時問乾球温度
゜（C)

湿球温度
゜（C)

処理時問(h)(h)

1
10℃セット8012※11108012+a※290602
16120℃セット

9012111209012+a汲29060216※1材中心部が蓋煮温度に到達するまで{f)最短時伯H
但しlt燥
機{J)容量、熱源能カヽ季節にょり適宜変更すること）※2 aは蒸煮終了後、セット温度到達にかかる最短時屑l
引用文献
秋田県立大学木材高度加工研究所 (2011) ，コンサイス木材百科，， 210pp，秋田
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N0.
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中嶋康・武田孝志・細尾佳宏•徳本守彦 (2014) ，心持ち平角材の内部および表面割れに及ぼす高温セット処理条件の影響，木材学会誌， Vol60,N0.6,309‑318
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http://www.howtec.or.jp/kenkyu/m‑kyoudosiken.pdf （参照 2012.12.21)
乾燥材生産の技術マニュアル（社団法人全国木材組合連合会， 2004)
木材の基準強度Fe、Ft、Fb、及びFsを定める件（平成 12年 12月 26日建設省告示第 2465号、改正平成27年 8月4日国土交通省告示第910号）‑ 63 ‑

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