試験・研究

初期火災における内装の燃焼拡大性状に関する研究
A study on flame spread over lining materials during early stage of fire
小宮祐人 *1、大上尊子 *2、原田和典 *3

1．はじめになお、本稿は、既発表論文 5）, 6）, 7）および投稿済みの発建築火災の初期拡大性状を考える上で、内装材料の燃表予定論文 8）の内容を再構成し、考察を加えたものである。

え拡がりは重要な要素の一つである。しかし、現在国内で行われている内装材料の試験、評価はコーンカロリメーター（以下 CCM） を用いた発熱性に着目した方法
1）

2．実験方法
2．1 CCM 試験（着火性および発熱性試験）

であり、燃え拡がりに関する試験や評価は実績が少ない。

本検討では、主として壁面（鉛直面）での燃焼を対象とASTM E1321 に規定される LIFT 試験 は燃え拡がりしているため、鉛直設置として表面に生じる気流の向きに関する試験方法であるが、国内で実施できる機関はごを壁と合わせた。装置レイアウトや口火位置などは ISOく限られている。そこで筆者らは、CCM 試験装置を利5660-11）の Annex E によった。加熱強度は、50 kW/m2用した燃え拡がり測定方法を開発して「縮小 LIFT 試験」

を上限として徐々に小さくし、着火限界付近では、着火と呼び、その可能性を検討している 。

する最小の加熱強度と着火しない最大の加熱強度の差が2）

3）

CCM による着火時間および発熱速度の測定、LIFT1 kW/m2 以下になるまで繰り返し測定を行ない、着火限試験または縮小 LIFT 試験による火炎伝播速度の測定か界熱流束ら得られる内装材料の熱物性値を Quintiere モデル 等熱速度とした。の燃え拡がり予測モデルに入力すれば、理論的には室の2．2 縮小 LIFT 試験（燃え拡がり試験）

4）を特定した。測定項目は着火時間および発発熱速度を予測することができる。ただし、予測モデル

縮小 LIFT 試験装置の概要を図-1 に、装置の写真を図の適用範囲や予測精度は実験によって確かめる必要があ-2 に示す。縮小 LIFT 試験では、試験体左端からの距離る。また、着火や燃え拡がりを予測する上では、半無限x= 50 mm の位置がヒーターの中心となるように試験体体近似が成り立つ「熱的厚壁」を仮定することが多いが、を 配置 し た。 試験体 と ヒ ー タ ー と の 離隔距離 は d=

内装の表面材が燃え抜けたり熱伝導により裏面温度が上100 mm とした。燃え拡がり測定においては、加熱強度昇すれば裏面からの燃焼も起こるため、材料の厚さも重の分布は着火点から離れるに従ってなだらかに減少する要な因子となる。のが望ましい。試験体とヒーターの離隔距離が大きいと、そこで本研究では、厚さの異なる合板を試験体とした加熱強度（ヒーターの形態係数）がなだらかに減少するが、CCM 試験、縮小 LIFT 試験、ならびに室空間の一部を模加熱強度の最大値も減少する 9）。逆に、試験体とヒー擬した中規模区画実験を実施し、これらの相関についてターの離隔距離が小さいと、加熱強度の最大値は確保で考察する。また、Quintiere モデルを一部改良した予測きるが、燃え拡がりの観察が困難になる。以上のことをモデルに CCM および縮小 LIFT 試験で得られた物性値考慮し、試験体とヒーターの離隔距離は、最大の加熱強を用いて予測した結果と中規模区画実験結果を比較する。

度が着火に十分な値となる範囲で極力大きく設定し、試*1*2*352

KOMIYA Masato ：（一財）日本建築総合試験所 試験研究センター 耐火部 防耐火構造・材料試験室 主査 修士（工学）OUE Takako：（一財）日本建築総合試験所 試験研究センター 耐火部 防耐火構造・材料試験室
HARADA Kazunori ：京都大学大学院 工学研究科 教授 博士（工学）GBRC Vol.47 No.3 2022.7

験体とヒーターは平行に設置した。このように調整した試験は厚さごとに 2 回ずつ実施した。

加熱強度の分布を図-3 に示す。x= 100～250 mm の範

2．3 中規模区画実験囲で加熱強度が徐々に減少している。

約 1.8 m 立方の室隅角部および天井、垂れ壁を模擬しCCM 試験装置の集煙フードは、図-2 に示すように試た試験体を組み立て、隅角部に火源を設置した。試験体

験体の大きさに合わせて拡張した。口火はメッケルバーを図-4 に示す。火源はプロパンガスバーナーとし、発ナー（燃料はプロパンガス）とし、LIFT 試験に倣って熱速度は、天井に間欠火炎が届く程度を目標に 50 kW

x=10 mm に配置した。口火の長さは試験体下端から約とした。隅角を挟む壁の対面（2 面）は開口とし、開口20 mm とし、口火のみの発熱速度は 0.27 kW であった。の上部に区画の半分ほどの高さの垂れ壁を設けた。隅角

試験体寸法は 150 × 500 mm、加熱範囲は 130 × 500 mm

を挟む壁の内装を試験体（可燃材）とし、裏打ち材およとした。測定項目は火炎到達時間とし、試験体および試び天井および床面、開口側の垂れ壁はケイ酸カルシウム

験体ホルダーに 25 mm 間隔で描いた目盛りを基準とし板とした。測定項目は、発熱速度、区画内温度、壁面入て試験体の中心線上で測定した。また、CCM 装置のガ射熱、煙層の酸素濃度とし、燃え拡がり状況を目視及びス分析計を用い、酸素消費法により発熱速度を測定した。

ビデオカメラで記録した。

図-1 縮小 LIFT 試験装置図

図-2

縮小 LIFT 試験装置の写真

図-3 縮小 LIFT 試験の加熱強度

図-4 中規模区画実験の試験体および各種測定位置53

GBRC Vol.47 No.3 2022.73．試験体
試験体はラワン合板とし、厚さは 5.5, 9, 12, 30 mmとした。CCM 試験、縮小 LIFT 試験および中規模区画実験ともに共通の材から試験体を製作した。その中から採取したサンプルにより測定した密度および含水率（105℃全乾法による）を表-1 に示す。
表-1

試験体の密度および含水率
図-5

発熱速度の推移（加熱強度 25 kW/m2）

4．実験結果4．1 CCM 試験の結果
加熱強度 25 kW/m2 を例に、発熱速度の推移を図-5 に示す。着火直後に発熱速度が増大し第 1 ピークが発現した後、一時的に減少し、PW5.5 は着火後約 1 分 40 秒、PW9 は 着火後約 6 分 30 秒、PW12 は 着火後約 7 分 30

図-6秒で裏面の燃焼に伴う第 2 ピークが発現した。PW30 は加熱強度と着火時間の関係12 分で実験を終了するまで第 2 ピークは発現しなかった。
ちなみに、PW30 の加熱強度 50 kW/m2 の場合には着火から第 2 ピーク発現まで約 24 分であった。
加熱強度と着火時間の関係を図-6 に示す。加熱強度が20 kW/m2 以下では PW9 の着火時間が比較的長くなったが、他の厚さでは近い結果を示した。加熱強度が 25 kW/m2 以上の範囲ではいずれの厚さも近い結果であった。着火限界熱流束は PW5.5 と PW9 が 13.5 kW/m2 と比
図-7

較的小さく、PW12 は 16.5 kW/m2、PW30 は 15.5 kW/との関係m であった。図-6 の結果について、横軸を着火時間の2平方根、 縦軸 を 着火限界熱流束 と 加熱強度 の 比と し て 整理 し た 結果 を図-7 に 示 す。 熱慣性は ASTM E1321 の方法により図-7 の原点付近の回帰直線の傾きから求めた 2）。
加熱強度と着火後 3 分間の平均発熱速度の関係を図-8に示す。PW5.5 が他の厚さに比べて大きな値となっているのは、着火後 3 分間で裏面からの燃焼が始まっているためである。PW9 では、加熱強度が 25 kW/m2 以下の領域で加熱強度が小さくなるにつれ平均発熱速度が大きくなっている。これは、加熱強度が小さいと着火時間が長くなり、着火時点ですでに裏面付近まで予熱されたため第 1 ピークと第 2 ピークが近接するためと考えられる。

PW12 と PW30 はおおよそ近い結果を示した。
実験結果から得られたパラメータの一覧を表-2 に示す。
表-2 の結果は５章の燃え拡がり予測に用いられる。
54

図-8
表-2

加熱強度と着火後 3 分間の平均発熱速度の関係

CCM 試験結果から得られたパラメータGBRC Vol.47 No.3 2022.7

4．2 縮小 LIFT 試験の結果

有効加熱強度と火炎伝播速度の平方根の逆数の各観測点への火炎到達時間を図-9 に示す。火炎到達関係を図-10 に示す。厚さごとに回帰直線の傾きと表-3

時間 は PW5.5, PW12 に 比 べ て PW9, PW30 が 若干早に示す熱慣性を用いて火炎伝播パラメータ を求めた。まく、火炎伝播停止位置までの距離は PW12 が他の厚さた、火炎伝播停止位置での加熱強度から火炎伝播最小熱よりも長かった。火炎伝播速度 V と加熱強度流束の関係

は、熱的厚壁を仮定すると、式（1）,（2）が成り立つ 。
2）……………………（1）……………………（2）を求めた。結果を表-3 に示す。火炎伝播パラメータは燃え拡がりの早かった PW9 と PW30 で比較的大きな値となった。PW12 は火炎伝播停止位置までの距離が大きかったため、火炎伝播最小熱流束は小さくなった。
発熱速度 の 推移 を図-11 に 示 す。PW5.5 で は、220秒程でピークが発現しており、その後火炎伝播が停止するに従って発熱速度が減少した。PW9, PW12, PW30
では、90 秒程でピークが発現するまでの推移はおおよそ一致したが、PW9, PW12 は 240 秒程から緩やかに上昇した。PW30 は火炎伝播が停止する過程で発熱速度が減少した。PW9 は 430～450 秒で、PW12 は 580～680 秒で第 2 ピークが発現した。PW5.5 のピークとPW9, PW12 の第 2 ピークは裏面の燃焼に伴うものと考えられる。
図-9 各観測点への火炎到達時間

4．3 中規模区画実験の結果
2.3 節で示した実験条件による内装への加熱性状を把握するため、合板を設けないブランク測定を実施した。
その結果について、おおよそ定常状態に至った加熱開始

図-10

有効加熱強度と火炎伝播速度の平方根の逆数の関係

表-3

火炎伝播パラメータと火炎伝播最小熱流束

図-12 高さ方向の温度分布

図-11

発熱速度の推移

図-13 壁面入射熱流束の分布55

GBRC Vol.47 No.3 2022.7

後 6 分時の高さ方向の温度分布を図-12 に、壁面入射熱と同じ高さではおおよそ近い値を示した。高さごとに入流束 を図-13 に 示 す。 垂 れ 壁下端（ 床面 か ら の 高 さ

射熱の比較をすると、垂れ壁下端高さから上は天井に近972 mm）より下では 30℃程度であるが、垂れ壁下端よづくほど高くなり、垂れ壁の中段で 3.9～4.6 kW/m2、り上では煙が滞留し、垂れ壁下端で 99 ℃、煙層内部で天井付近で 5.7 kW/m2 であった。垂れ壁下端高さよりは天井に近づくほど温度が高くなり天井付近で 291℃で下では 1 kW/m2 程度であった。

あ っ た。 壁 面 入 射 熱 流 束 は、 火 源 の 直 上 は 18.0～

25.4 kW/m² であったが、火源から 300 mm 以上離れる

以下、壁面に合板を設けた場合の結果を示す。燃え拡がり状況を表-4 に示す。

表-4 燃え拡がり状況

56

GBRC Vol.47 No.3 2022.7

PW5.5 では、2 分頃から火勢が増し、4 分時には壁のバーに至ったため実験を終了した。

中央付近まで水平に展炎した。約 6 分から展炎が収まり、区画内温度 の 推移 を図-14 に、 発熱速度 の 推移 を図

隅角部で炭化した合板が脱落していた。その後は緩やか-15 に示す。ブランク測定の結果と比較すると、いずれに側方へ燃え拡がっているが、それ以上の目立った燃えの試験体も 1～2 分で区画内温度および発熱速度が急激拡がりは観察されず、火炎伝播が停止したことを確認しに上昇しており、この時点で合板表面に着火したと考えた上で、25 分で実験を終了した。

られる。PW5.5 は約 6 分まで区画内温度、発熱速度とPW9，PW12，PW30 では、4 分頃までは PW5.5 とも上昇し、ピーク発現後は実験終了まで緩やかに下降し同様な推移であったが、以降も展炎は継続した。PW9，た。CCM 試験においては、PW5.5 は着火後約 2 分で裏PW12 では 11 分時に、PW30 では 17 分時に火炎プルー面までの燃焼に至っており（図-5）、約 6 分時までの区

ムへの巻き込み空気が煙層下端に貫入する位置における画内温度および発熱速度が他の試験体よりも高くなった燃焼が確認された。3～4 分でこれが拡大し、煙層下端のは合板裏面の燃焼に起因し、その後燃え尽きたためとに沿って延焼した。延焼が開口まで達するとその後は上考えられる。PW9 と PW12 は区画内温度、発熱速度と下方向 に 急速 に 燃焼 が 拡大 し、PW9 は 18 分 40 秒、も同様の推移を示している。着火後区画内温度は 300℃

PW12 は 17 分 30 秒、PW30 は 23 分でフラッシュオー程度、発熱速度は 100 kW 程度で停滞しているが、約 7分から再度増大している。CCM 試験で裏面が燃焼に至るまでの時間はいずれも 7 分前後であり、区画内温度、発熱速度増大のタイミングとおおよそ一致するため、これも裏面の燃焼によると考えられる。PW9 は約 7 分での増加の直後に一時的に停滞しており、この時点から燃え尽きはじめていると考えられる。PW12 のほうが厚い分燃え尽きが遅いため、約 8 分以降は PW9 との大小関係が逆転している。PW9 は約 16 分、PW12 は約 14分以降煙層下端での延焼によって燃焼が拡大し、区画内図-14 区画内温度の推移

温度、発熱速度とも急激に増大してフラッシュオーバーに至った。PW30 は、区画内温度と発熱速度が停滞するまでは PW9，PW12 と近い推移を示した後、約 14 分時まで区画内温度と発熱速度が緩やかに下降した。その後増大してフラッシュオーバーに至ったが、実験終了時も合板裏面は燃焼（炭化）していなかった。そのため、PW30 では 裏面の燃焼ではなく、煙層からの予熱によって熱分解が進み、燃焼拡大に至ったと考えられる 。
酸素濃度の推移を図-16 に示す。ブランク測定ではバーナー点火直後から急激に減少し、約 16 % で一定と図-15 発熱速度の推移なった。PW9,PW12,PW30 では表面に着火した 1～2分でブランク測定の酸素濃度を下回り、10～13 % 程度で推移した。その後、燃焼拡大に伴ってさらに減少した。
煙層内は高温にはなるものの酸欠により燃焼しにくい状況であったと推察される。

5．燃え拡がり予測
5．1 予測方法
燃え拡がり予測は、Quintiere モデル 4）を一部改良した方法 10）により行った。図-17 にその概略を示す。計算
図-16 煙層の酸素濃度の推移

条件は中規模区画実験と同じとし、合板の厚さは 5.5, 9,57

GBRC Vol.47 No.3 2022.7

12 および 30 mm とした。

、 、等の物性値は4 章の CCM もしくは縮小 LIFT 試験結果から与えた。
ここでは各厚さでの測定値の平均とし、単位面積あたりの総発熱量のみ各厚さでの値を 60％に低減した値とした。

図-18 燃え拡がり面積および燃え尽き面積

図-17Quintiere モデルの概要

図-19 発熱速度

5．2 予測結果と考察
計算結果を図-18～20 に示す。図 -18 に示す燃焼面積より、5.5 mm の場合は初期着火領域から上方（および天井下に流下方向）にのみ燃え拡がり、最初に着火した部分から順次燃え尽きた。しかし、9～30 mm では約 9 分から側方および下方への燃え拡がりが起こり、燃焼面積が増加した。これに伴い、図-19 に示す発熱速度、図-20 に示す火災室温度が急激に増加し、9 mm では約 11 分で初期着火領域から燃え尽きが 始まっているものの、9～図-20 火災室温度30 mm はフラッシュオーバーに至った。合板が薄いと早期に燃え尽きて燃焼面積が限定されるが、厚いと燃焼面（2）中規模区画実験において、厚さ 9 mm 以上の合板を積が大きくなり燃焼が激しくなる傾向は中規模区画実験

壁面内装とした場合に、煙層下端に沿った延焼によと同様である。ただし、燃え拡がりの推移は中規模区画り急速に燃焼が拡大し、フラッシュオーバーに至った。

実験よりも早く、実験との定量的一致は改良の余地がある。

（3）裏面の燃焼が燃え拡がり性状に及ぼす影響を考察した。合板が薄いと裏面が早期に燃焼するため、一時6．まとめ的に燃焼が旺盛になるが、燃え尽きも早い。本研究

厚さの異なる合板を試験体として、小規模試験（CCMの実験では厚さ 12 mm の合板が他の厚さに比べて試験および縮小 LIFT 試験）および中規模区画実験を実裏面の燃焼により燃え拡がりが促進されることを示施した。また、小規模試験で得られた物性を用い、中規した。

模区画実験と同じ条件で Quintiere モデルにより燃え拡（4）煙層内 は 高温 に は な る も の の 酸素濃度 は お よ そがり性状を予測した。本研究の成果を以下にまとめる。

10 ％と低くなっており、酸欠により燃焼しにくい（1）CCM 試験から着火性と発熱性に関する燃焼物性を、状況であることが示唆された。

58

縮小 LIFT 試験から燃え拡がりに関する燃焼物性を（5）燃え拡がり予測計算により、合板が厚い場合に燃え取得した。これらの物性値を用いて室の燃え拡がり拡がりが激しくなり、フラッシュオーバーに至る傾を予測し、区画実験により検証する道筋を示した。

向を再現した。

GBRC Vol.47 No.3 2022.7

記号

【執筆者】
2：加熱強度［kW/m ］， ：着火時間［s］，：着火限界熱流束［kW/m ］， ：着火温度［K］
，：熱慣性

2

［kW s （/ m K）］，. 1 /22.

：燃焼熱と熱分解潜熱の比［-］，：燃焼炎から材料表面への入射熱［kW/m2］， ：総発
2
熱量［MJ/m2］， ： 火炎 伝播 パ ラ メ ー タ［（kW）/m3］，：火炎伝播最小熱流束［kW/m2］

*1

小宮 祐人

（KOMIYA Masato）*2 大上 尊子

（OUE Takako）

*3

原田 和典

（HARADA Kazunori）

謝辞
本研究に関わる実験の実施に際し、㈱東亜理科の皆様
並びに防耐火構造・材料試験室の防火材料メンバーにご協力をいただいた。また、燃え拡がり予測計算に際し、京都大学の仁井大策先生、池松由良氏にご協力をいただ
いた。記して謝意を表す。
【参考文献】

1）ISO 5660-1 Reaction-to-fire tests －Heat release,smoke production and mass loss rate2）ASTM E1321 Standard test method for determining
material ignition and flame spread properties, 20023）M. Komiya et al., Comparison of Flame Spread
Measurement Using Cone Calorimeter and LIFT
Apparatus, AOSFST 2021, Brisbane, Australia, 7-9
December 2021
4）J. G. Quintiere: A Simulation Model for Fire Growthon Materials Subject to a Room-Corner Test, FireSafety J., 20, pp.313-339, 1993
5）大上尊子ほか，内装材料の初期火災拡大性状に関する測定方法の検討－中規模区画実験の概要とブランク測定結果 ,日本建築学会大会学術講演梗概集（関東），防火，pp.5-6,
2020 年 9 月
6）小宮祐人ほか，内装材料の厚さと初期火災拡大性状に関する検討－中規模区画火災実験の結果－，日本建築学会大会
学術講演梗概集（関東），防火，pp.11-14, 2020 年 9 月

7）小宮祐人ほか，内装材料の燃え拡がり測定における材料厚さおよび裏打材の影響に関する検討，日本火災学会研究発
表会梗概集，pp.1-2, 2021 年 5 月

8）小宮祐人ほか，初期火災における内装の燃焼拡大性状に関する研究－小規模試験結果を用いた燃え拡がり予測と中規模区画火災実験の比較－，日本建築学会大会学術講演梗概
集（関東），防火，2022 年 9 月（投稿済 , 発表予定）

9）原田和典ほか，縮小 LIFT 試験装置による内装材料の燃え拡がり測定 その 2 縮小 LIFT 試験方法に関する検討，日本建築学会大会学術講演梗概集，防火，pp.355-356, 2018年9月
10）池松由良ほか，Quintiere モデルによる内装材料の燃え拡がり予測，日本建築学会大会学術講演梗概集，環境工学，
pp.759-760, 2021 年 9 月

59