淺沼組技術研究報告№21(2009)

９．コンクリート耐火被覆材の建築構造物への適用性
Application to Fireproofing Material using Lightweight Mortar for Reinforced Concrete Structures
山﨑 順二＊

駒居 秀一＊２

松井 亮夫＊

尾石 勝明＊３

要 旨
消防訓練施設内の実火災訓練室では、実際の火災を想定した加熱・放水訓練が繰り返し行われているため、室内のコンクリート躯体の品質低下を防止するため、コンクリート面への耐火被覆材の設置が不可欠である。しかし、このような過酷な条件に適合しかつ現場で施工できる湿式の耐火被覆材についての報告はほとんどない。そのため、耐火被覆材を建築構造物に適用するためには、性能試験を行い、その適用性を評価して選定する必要がある。そこで、主としてトンネル工事に使用される吹付けタイプの耐火被覆材を選定し、実火災訓練室の耐火被覆材として適用すべく、加熱・放水を繰り返すことによる耐久性の評価と熱伝導解析を併せて行った。
その結果、設計仕様に要求された 20 回の加熱・放水繰り返し試験による耐火性能の低下はないことを確認した。
本報では、耐火被覆材の性能評価試験結果および熱伝導解析の有用性について述べる。
キーワード：耐火被覆材／軽量モルタル／火災訓練室／加熱放水繰り返し／耐火性能／熱伝導解析

１．はじめによび放水を繰り返す、加熱放水繰り返し試験を実施する

コンクリートは建築基準法では不燃材料とされていることとした。試験の結果から耐火被覆材の耐火性能およが、300℃以上の温度上昇によって、静弾性係数や圧縮強び加熱放水を 20 回繰り返した後の健全性の評価を行い、度などの力学的性質は低下することが一般に知られてい鉄筋コンクリート造内部の実火災訓練室に適用する耐火る。このため、消防訓練施設の鉄筋コンクリート造建築被覆材としての有用性を検討した。加えて、耐火被覆材物の内部に実火災訓練室を設置するような場合、コンクの熱伝導解析を行い、材料温度の解析値と実測値とを比リート構造体の安全性を確保するためには、構造体コン較することで、耐火被覆材の厚さの設計に対する熱伝導クリートの温度上昇を抑制することが必要となる。

解析の有用性についても検討を加えた。

構造体コンクリートの耐火対策としては、耐火レンガや耐火パネルによる被覆（乾式工法）と、表面をモルタ２．実験に供した耐火被覆材の概要ルで被覆（湿式工法）する方法が考えられ、これにより実験に供した耐火被覆材（湿式タイプの吹付け軽量モ

コンクリート表面の温度上昇を抑制し、構造体の安全性ルタル）は、ポルトランドセメントと軽量細骨材であるを確保することとなる。

バーミキュライト（アスベスト含有量は 0.1wt%以下）をまた、鉄筋コンクリート造建築物の内部に実火災訓練基材とした、プレミックスタイプのトンネル用湿式耐火室を設置する際には、その形状が複雑となる場合があり、被覆材である。表－１に耐火被覆材と一般的な普通強度耐火レンガや耐火パネルを用いた乾式工法による施工よのコンクリートの物性を併せて示す。

りも、吹付け施工が可能となる湿式工法の方が有利と考えられる。しかし、従来から耐火被覆材の耐火性能に関

表－１

耐火被覆材およびコンクリートの一般的性質する研究は数多く報告されているが、実火災訓練室のよ品質・性能

うに短時間に急激な温度上昇および放水による急激な冷（単位）

耐火被覆材

コンクリート却の繰り返しを受けることを想定した耐火被覆材はなく、単位容積質量kg/m3

700

2400

実験の報告もほとんどない。

圧縮強さ

N/mm2

1.5以上

30以上

熱伝導率

W/(m・K)

0.19

0.89

比熱kJ/(kg・K)

0.97

0.93

そこで本報では、鉄筋コンクリート造建築物内の実火災訓練室に適用することを想定した耐火被覆材（湿式タイプの吹付け軽量モルタル）に対して、短期間で加熱お＊大阪本店建築部技術グループ＊２

大阪本店建築部購買グループ
9-1＊３

大阪本店建築部工事課

淺沼組技術研究報告№21(2009)

通常、耐火被覆材は乾燥環境下においてコンクリート加熱

躯体の保護性能を十分に発揮するが、湿潤状態からの急加熱

水分激な加熱を受けた場合は、耐火被覆材内部の水分が急激に気化膨張するため、被覆材表層部で水蒸気爆裂が生じ

緻密な硬化体（キャスタブル）る危険性がある。本工事における実火災訓練室のように、加熱放水を繰り返し受ける環境下に適用する耐火被覆材

水蒸気化

水蒸気圧増大

加熱

硬化体爆裂

加熱

水分は、水蒸気爆裂の危険性がなく、加熱放水の繰り返しにフェンドライト対する耐久性が確保できる材料を選定することが必要と図－１なる。図－１に耐火被覆材の水蒸気爆裂に関するイメー

水蒸気化

水蒸気放出
圧力低下

爆裂なし

耐火被覆材の水蒸気爆裂に関するイメージジを示す。
３．実験概要

そこで、以下に示す考え方に基づき、吹付けタイプの耐火被覆材である軽量モルタルの実火災訓練室への適用

3.1の可能性について、以下に示すような内容について検討

加熱放水繰り返し試験の概要

耐火被覆材を施工したコンクリート平板（以下「試験した。

体」と記す）を加熱した直後に放水冷却する工程を 20 回(1) 比重が小さい（コンクリートの約 1/3）材料であり、繰り返し、加熱時の試験体温度と加熱面の劣化状況を確マトリックス内部に存在する水分の加熱による急激な気認した。加熱温度は 400℃および 600℃とした。

化膨張を吸収・拡散できる材料であるため、水蒸気爆裂3.2の危険性が少なく火災訓練時の安全性を確保できると考試験体および温度計測位置

実験に供した試験体は、1,200mm×1,200mm×厚さえられる。

100mm のコンクリート平板とした。平板には設計基準強(2)熱伝導率が低い（コンクリートの約 1/5）ことから断度 30N/mm2 に相当するコンクリートを用い、耐火被覆材熱性が高く、被覆材の厚さを 30mm 程度と薄くしても高を被覆厚さ 30mm 吹付けて、2 体作製した。試験体の概要

い耐火性能が確保できると考えられる。

を図－２に示す。図中には温度計測位置を併せて示した。

(3) 速硬性ではない湿式の材料であるために被覆材表面両試験体とも、試験体の中心（端部から 600mm×600mmのコテ均しが可能となり、吹付け施工でありながら平坦の位置）において、コンクリート表面（被覆材とコンクな表面仕上げが可能となり、表面硬度も向上する。

リート平板の界面）から断面内方向に 0、30、80、100mm(4) 吹付け厚さを計測・確認しながら施工することが可の位置および耐火被覆材内部のステンレスメッシュの位能となるために確実な厚さ管理が行え、所要の耐火性能置（コンクリート表面から被覆材内部に約 12mm）の計 5を確保できる。

カ所に、ガラス被覆 K 型熱電対を設置して加熱時の各部の温度を計測した。
溝形鋼付着用アンカー(D10×L200mm)
コンクリート部(1200×1200×厚さ 100mm)
溝形鋼(H100×50)

熱電対設置（版の中央）

熱電対

600

600

30 10080mm
30mm
約 12mm
放水試験吊上用鋼製ｲﾝｻｰﾄ

コンクリート表面
メッシュ固定用鋼材

溶接金網(D10□100) かぶり=40mm
ブリッジ治具

耐火被覆材

図－２

試験体形状および温度計測位置
9-2

淺沼組技術研究報告

3.3№21(2009)

加熱および放水冷却方法

表－２

火災訓練室での想定される使用条件

図－３

加熱温度履歴および放水試験条件

試験条件を設定する上で、実火災訓練室での想定される使用条件を表－２の上段に示すように設定した。1 回当たりの火災訓練時間を 15min、放水時間を 1min、年間の訓練室の使用回数を 20 回、火災訓練室の躯体コンクリー
トの要求耐熱温度を 200～600℃と設定した。
以上の想定条件から、表－２の下段に示すような試験条件を設定した。これに基づき、図－３および図－４に示すように、最高温度を 400℃もしくは 600℃とした温度
履歴による加熱を 15 分間行い、その直後に 1 分間放水冷却するサイクルを 20 回繰り返す加熱放水試験を行った。
試験体への加熱は、耐火炉の上開口に耐火被覆材が下向きとなるように試験体を設置し、試験体中央部の 900×900mm の部分について行った。また、試験体への放水は、15 分間加熱した試験体を吊り上げ、水圧 0.23MPa、放水ホースから試験体までの距離を 2.5m とし、写真－１に示すように放水冷却した。試験は 1 日に 2 サイクルとし、試験体冷却のために 4 時間以上の間隔を開けた。
3.4

評価項目

(1) 加熱時の試験体温度の計測
試験体に設置したガラス被覆 K 型熱電対により、加熱時の試験体温度を測定した。
(2) 耐火被覆材表面のひび割れ幅の測定
加熱放水後に、加熱面において目視で確認できるひび割れをトレースするとともに、各サイクルにおける最大図－４

加熱放水試験サイクルの概要

ひび割れ幅を計測、評価した。
(3) 耐火被覆材の厚さ変化の測定
加熱放水による耐火被覆材の厚さ変化の有無を確認するために、被覆材表面の 4 カ所で各サイクルにおける厚さを測定し、厚さ変化値として評価した。
(4) 貫入抵抗値の測定
加熱部の外周から内側 50～150mm の範囲において、φ3mm 針による貫入抵抗値を測定し、2 サイクルごとに耐写真－１

放水試験の状況

火被覆材の圧縮強度を推定した。
(5) 耐火被覆材の圧縮強度試験

を用いて熱伝導解析を行った。なお、加熱面の熱伝達係耐火被覆材の圧縮試験を JIS A 1108 に準じ、φ5×10cm数は、別の実験から求めた 150（W/m2・K）を適用し、加円柱供試体を用いて行った。試験材齢は加熱放水繰り返

熱面以外の境界条件は断熱条件とした。加熱条件としてし試験の 1 回目である材齢 20 日および材齢 28 日とした。

は、図－３に示す加熱曲線（5 分で目標温度に昇温後 15(6) 耐火被覆材の施工性確認

分間保持）の条件とした。

施工性およびコンクリート躯体への付着充填状況を確認するため、加熱試験に供する試験体とは別に耐火被覆

４．実験結果および考察材を吹付け施工し、硬化後にコアを採取し目視観察した。

4.1

3.5

熱伝導解析

加熱時のコンクリート表面の温度上昇

加熱終了時のコンクリート平板の各部の温度を加熱温表－１に示した耐火被覆材およびコンクリートの物性度ごとに図－５に示す。コンクリート表面の温度は、い9-3

淺沼組技術研究報告№21(2009)

ずれの加熱放水サイクルにおいても 600℃加熱で最大かぶり厚さ付近（コンクリート表面から 30mm の位置）80℃程度、400℃加熱の場合で最大 50℃程度であった。

での温度は、いずれのサイクルでも 40℃以下であり、ま600℃で加熱した場合、サイクル回数が増えるに伴い加熱たコンクリート表面から 80mm の位置ではコンクリート終了時のコンクリート表面温度が低くなる傾向が見られ、の温度上昇は見られなかった。
これより、耐火被覆材を厚さ 30mm で吹付け施工するサイクル回数の増加に伴う試験体の温度上昇は認められことによって、構造体コンクリートの温度上昇を抑えるなかった。
一方、サイクル奇数回（午前中加熱）とサイクル偶数ことができ、実火災訓練による温度上昇に起因するコン回（奇数回の加熱と同日の午後に加熱）での加熱終了時クリートの力学的性質の低下を防止できることが確認での試験体の内部温度を比較すると、偶数回の方がやや高きた。

い温度を示す傾向にあった。これは、午前中の奇数回実4.2施時の余熱によるものと推察される。

加熱放水による耐火被覆材の表面ひび割れ状況

400℃加熱および 600℃加熱において、各サイクル終了

図－６に、1，10，20 サイクル時の加熱終了時の温度を、時における耐火被覆材表面のひび割れ発生状況およびひ加熱温度ごとに示す。凡例の 0mm が図－２に示すコンク

び割れ幅の計測結果を表－３に、加熱放水繰り返し 10 サリート表面での測定結果である。加熱温度にかかわらずイクル終了時および 20 サイクル終了後の試験体の状況を
写真－２に示す。
400℃加熱の場合は 5 サイクル終了後まで微細ひび割れ

加熱終了時温度（℃）

200180160140120
100806040200４００℃加熱

0mm30mm80mmが生じなかったが、600℃の場合は 2 サイクル終了時点で微細ひび割れが発生している。さらに、400℃加熱では 13100mmサイクル終了時に 0.1mm のひび割れが発生し、600℃加熱
では 3 サイクル終了時に 0.1mm、13 サイクル終了時に0.2mm のひび割れが発生した。加熱放水サイクルが増加するのに伴い表面ひび割れの本数（ひび割れ密度）は増

0200
180160
140
120
10080
6040
200

加熱終了時温度（℃）

メッシュ

51015
加熱放水サイクル（回）６００℃加熱

20

メッシュ

0mm

30mm

80mm

100mm

05

図－５1015加熱放水サイクル（回）20

加熱終了時のコンクリート平板温度

加熱終了時温度（℃）

150
400℃-1サイクル
400℃-10サイクル
400℃-20サイクル
600℃-1サイクル
600℃-10サイクル
600℃-20サイクル

120
906030（コンクリート側）

0-20

図－６0204060
80
コンクリート界面からの距離（mm）

100

1、10、20 サイクル時の加熱終了時の温度
9-4

表－３

各サイクル終了時の表面ひび割れの発生状況

加熱放水サイクル(回）

最大ひび割れ幅および目視所見
400℃加熱600℃加熱1

ひび割れなしひび割れなし2

ひび割れなしわずかな微細ひび割れ

3

ひび割れなし0.1mm

4

ひび割れなし0.1mm5

ひび割れなし0.1mm

6

わずかな微細ひび割れ

0.1mm

7

わずかな微細ひび割れ

0.1mm

8

わずかな微細ひび割れ

0.1mm

9

わずかな微細ひび割れ

0.1mm

100.1mm未満

0.1mm

110.1mm未満

0.1mm

120.1mm未満

0.1mm

130.1mm

0.2mm

140.1mm

0.2mm

150.1mm

0.2mm

160.1mm0.2mm

170.1mm

0.2mm

180.1mm

0.2mm

190.1mm

0.2mm

200.1mm

0.2mm

淺沼組技術研究報告

最大ひび割れ幅：0.1mm未満

最大ひび割れ幅：0.1mm№21(2009)

最大ひび割れ幅：0.1mm

加熱温度
400℃

10サイクル後

写真－２

加熱温度
600 ℃

20サイクル後

10サイクル後

20サイクル後耐火被覆材の表面ひび割れ発生状況（400℃および 600℃：10 サイクルおよび 20 サイクル終了時）1.5
耐火被覆材厚さ変化（mm）

加する傾向にあったが、20 回の加熱放水繰り返しを受けても耐火被覆材のはく落などの不具合は全く認められなかった。耐火被覆材のはく落防止には被覆材内部に設置したステンレスメッシュの効果もあると考えられるが、スケーリングなどの表層はく離も認められていないことから、20 回の加熱放水繰り返しを受けても、耐火被覆材としての健全性は維持されていると考えられる。このこ

400℃加熱1.0600℃加熱
0.50.0-0.5-1.0-1.5とは、サイクル数の増加に伴いひび割れ密度が増大して05も、前述のように試験体の温度上昇が認められないこと
図－７からも分かる。
4.3

最大ひび割れ幅：0.2mm

1015
加熱放水サイクル（回）20

耐火被覆材の厚さ変化量

耐火被覆材の加熱放水繰り返しによる厚さ変化
3.0

20 回の加熱放水繰り返しによる耐火被覆材厚さの変化

2.52

圧縮強度（N/mm ）量を図－７に示す。厚さ変化は、加熱放水繰り返し試験の直前に耐火被覆材の厚さを 4 点で測定し、各サイクル終了直後に測定した厚さを減じて求めた。図には、4 点の測定点の平均値をそれぞれプロットした。
600℃加熱において 15 サイクル以降に被覆材厚さが若干減少する傾向がみられるが、その量は 0.5mm 程度と極

2.0
1.51.0400℃加熱(推定値)0.5600℃加熱（推定値）
φ5×10cm供試体測定値0.0めて小さい値であった。また、20 サイクル間の耐火被覆0材の厚さ変化は±1.0mm 以下の範囲であり、骨材の影響などによる測定誤差や温度変化による熱膨張や収縮が生

図－８51015
加熱放水サイクル（回）20

耐火被覆材の圧縮強度の推定値じていることを考慮すると、本実験における加熱放水繰り返しによる耐火被覆材の厚みの減少は、耐火被覆材のずれのサイクルでも 1.5N/mm2 以上が確保されていた。

耐火性能に影響を及ぼすものではないと考えられる。
4.4

本実験に用いている耐火被覆材は、結合材としてセメ貫入抵抗試験による耐火被覆材の推定圧縮強度ントを使用している。セメント硬化体の加熱による化学耐火被覆材の貫入抵抗値を測定した結果から圧縮強度的性質の変化はその温度によって変化が生じる物質が異を推定した。推定方法は、貫入抵抗値と圧縮強さとの相なり、影響の大きさにも違いがある。使用材料の種類に

関関係１）を用いて算出した。2 サイクルごとの耐火被覆よっても異なるが、温度上昇に伴う化学結合水の放出や材の圧縮強度の推定結果を図－８に示す。図中には、試各種水和物の分解が生じ、1100～1200℃ではコンクリー

験体への耐火被覆材吹付け施工時に同時に採取したφ5トが融解するといわれている２）。本実験における加熱試× 10cm の 供 試 体 に お け る 材 齢 28 日 で の 圧 縮 強 度

験中の耐火被覆材の表面温度は目標加熱温度の 400℃も2（2.27N/mm ）を一点鎖線で示した。

しくは 600℃に達していると考えられるが、耐火被覆材の貫入抵抗値から推定した耐火被覆材の推定圧縮強度は、2推定圧縮強度の大きな低下が認められないことから、上

1.80～2.49N/mm であり、加熱放水繰り返しによって初期記の加熱温度の範囲内では、耐火被覆材の硬化体としてサイクルの段階で推定圧縮強度が若干低下するが、そのの性質を大きく低下させるような化学変化は生じなかっ後は 20 サイクルに達するまで大きな強度変化はなく、いたと考えられる。さらに、前述のように、20 回の加熱放9-5

淺沼組技術研究報告№21(2009)

５．まとめ
実火災訓練室の構造体コンクリートの耐火被覆材として、吹付け施工が可能な軽量モルタルの適用性について、20 サイクルの加熱放水繰り返し試験を行い評価した。実験から得られた結果を以下に示す。
（1）耐火被覆材を厚さ 30mm でコンクリート面に吹付け施工することによって、火災訓練室の構造体コンクリートの温度上昇を抑えることができ、構造体コンクリートの力学的性質の低下を防止できる。
（2）加熱放水の繰り返しによって耐火被覆材の表面にひび割れが発生するが、スケーリングなど表層はく離やはく落はなく、耐火被覆材としての健全性が維持
写真－３

解析値

400

（3）20 回の加熱放水繰り返しを受けることによる耐火被覆材の厚さの変化は小さく、圧縮強度の低下も認

実験値

200

温度（℃）

600

されている。

600℃解析

800

400℃解析

800
温度（℃）

コンクリート平板からのコア採取状況

600

められない。

解析値

400

実験値

（4）熱伝導解析の結果と実測値の整合性は高く、要求さ200れる耐火性能に応じた被覆材の厚さを解析により合理的に求めることができる。

0003060110

断面深さ（mm）

図－９03060110以上のことから、本実験に用いた耐火被覆材は、実火断面深さ（mm）

災訓練室の構造体コンクリートの耐火被覆材として適用

熱伝導解析による解析値と実測値の比較が可能であり、20 回の加熱放水繰り返しを受けても、耐火被覆材の性能が低下しないことが確認できた。

水サイクルを繰り返しても耐火被覆材厚さの変化がほとんどないことと、推定圧縮強度の低下も見られないこと

なお、当社では本材料を実火災訓練室に使用し、訓練から、本実験に使用した耐火被覆材は、実火災訓練時のに供用されているが、表面被覆材としての性能低下や表放水圧に対する耐久性を十分に有していると考えられる。

面はく離などの不具合は現時点では発生していない。

以上のことから、表－２に示した想定される使用条件［謝辞］に応じた短期間での加熱放水を繰り返し受けても、耐火本実験を行うに当たり、太平洋マテリアル(株)谷辺徹被覆材の顕著な性能低下はないと考えられる。
4.5

氏、並びに(株)太平洋コンサルタント研究センターの関耐火被覆材の充填性の確認

係者には多大なご協力およびご指導をいただきました。

垂直面に吹き付けた耐火被覆材とコンクリート平板とここに記して関係各位に感謝の意を表します。の付着および充填状況を、平板から採取したコア供試体の側面観察により行った。写真－３に示す 1200×1200×100mm の上中下の 3 カ所から採取した結果、耐火被覆材［参考文献］

はコンクリート表面に十分に付着し充填されていること

１） 谷辺徹：軽量モルタルの強度推定方法に関する検討、が確認できた。

日本建築学会大会学術講演梗概集 A-1（材料施工）、

4.6

pp.741-742, 2003.9.

熱伝導解析結果

図－９に、1 サイクル終了時の試験体の断面深さと温度

２）日本コンクリート工学協会偏：コンクリート構造物の関係を解析値と実測値を併せて表記した。加熱温度の火災安全性研究委員会報告書、p.9, 2002.6.

400℃および 600℃のどちらの加熱条件であっても、解析値と実測値は良く整合していることが分かる。
これより、熱伝導解析を行うことによって、目標とする断熱性能を得るための耐火被覆材の厚みが精度良く計算できると考えられる。
9-6