3087

日本建築学会大会学術講演梗概集（関東） 2011 年 8 月

選抜梗概

節を有するスギ板材の難燃化と準不燃材料の研究開発
正会員
同
同
同
節
コーンカロリーメーター試験

スギ板材
模型箱試験

○藤田和彦*1
谷川信江*4
常世田昌寿*7
長谷見雄二*10

同同同

小城貴嗣*2
土橋常登*5上川大輔*8

同
同
同

原田浩司*3
金城 仁*6
平井倫之*9難燃化
防火性能試験
難燃薬剤はリン酸・硼砂・硼酸系で、減圧 60torr、加圧、1 はじめに「森林・林業再生プラン」(平成 21 年 12 月 25 日)が農減圧 60torr の条件で注入した。加圧は注入量と濃度を考慮林水産省で策定され、これを受けて「公共建築物等におして、圧力を 8kgf/cm2 で 20 分及び 40 分の 2 条件とした。

ける木材の利用に関する法律」が平成 22 年 10 月 1 日にまた、ドリルインサイジング機に 1 回通したものと、2 回施行された。10 年後の木材自給率 50％を目標に、木材利通して@15mm にしたものと 2 種類作製した。

用・エネルギー利用拡大による森林・林業の低炭素社会への貢献が期待されている。

準不燃基準に適合する注入量を検討するため、コーン
カロリーメーター試験(50kW/m2 の輻射熱で 10 分間の試

国内の人工林では、スギ人工林面積が 450 万 ha(人工林験)を(独)森林総合研究所で 21 体行った(図 1 参照)。
281)

、スギ材の活用が緊急の課題となっている。

24

スギ材を建築物に利用しようとした場合、内装材では、

20

総発熱量 MJ/m2の 44％)、蓄積が 15 億 m3(人工林の 57％)にも達しており内装制限から難燃薬剤を注入し準不燃性能を確保することが、また、外装材では薬剤の溶脱を考慮して、注入していないスギ板材を使用した壁防火構造仕様の開発が、スギの活用につながると考えられる。

節の径
30mm
30mm
14mm
20mm

16128

節あり材
節なし材

415mm8mm0

しかし、スギ板材には多くの節が存在する。節は密度0が高く薬剤を注入しにくいため、発熱速度や総発熱量に影響を及ぼす可能性がある。

50100150
薬剤注入量 kg/m3200250

図 1 10 分間の総発熱量と薬剤注入量及び節の径の関係

このため、節のあるスギ板材に薬剤を注入し、コーン薬剤注入量については、乾燥後の薬剤固形分量を表し、カロリーメーター試験及び模型箱試験を行って、節が存以降注入量とする。板材の長さ方向に対して直角方向の在することによってどのような発熱性状を示すか、比較節の幅を「節の径」(スケールで測定)としたとき、節の径検討をすることとした。

が 8mm であっても、注入量が 173kg/m3 のとき、総発熱量

また、無注入のスギ板材を前面に、スギ合板を後面にが 8MJ/m2 に達しなかった。また節のない試験体は、注入重ね合わせた仕様の外壁を試作して、防火構造性能も検量が 143kg/m3 以上で 8MJ/m2 を下回った。そこで、注入性討した。

能のばらつきを考慮して、160kg/m3 を準不燃基準適合の2 内装材の試験方法と結果目安とした。また、穴の間隔については、@15mm の方が2.1 難燃薬剤の注入量の検討注入量のばらつきが尐ないため、この間隔を採用した。

難燃薬剤を均質に注入するため、写真 1 のような一度次に、スギ板材の長さ方向各位置の注入量を推定するに多数の穴をあける送り装置付き簡易ドリルインサイジ

ため、長さ 3m、厚 18mm、幅 125mm の心材を、原木 5 本ング機械を試作した。穴は直径 2mm、穴の間隔は幅方向から 30 枚製材した。図 2 のように無注入材、注入材、無@30mm 、 長 さ 方 向 @30mm

注入材の順とするために、サイドマッチングの木取りとの 2 列ちどり配置である。試した。含水率 15％以下に乾燥させて、幅方向@30mm、長験 体 は 、 長 さ 400mm 、 厚
無注入材
注入材
無注入材

15mm 、 幅 100mm 、 含 水 率14％程度の節ありスギ板材を3000用意し、木口面をシリコンでシールした。

写真 1 ドリルインサイジング機械

Development of Fire-preventive materials based on knotted Sugi
lumber― 181 ―

100t =18120

図 2 注入材と無注入材のサイドマッチング

FUJITA Kazuhiko et al.

さ方向@15mm、一段ごとに幅方向に 7.5mm ずらし、裏面

次に、注入前後の含水率計測定値の差と全乾密度からから表面に貫通しないように直径 2mm の穴をあけた。

推定した薬剤固定量の関係を、図 5 に示す。含水率計測

注入条件は、減圧 60torr、加圧、減圧 60torr で行った。注

定値の差が 5%までは注入量は尐ないことが分かるものの、2入量を大小分散させるため、加圧を 5kgf/cm で 5 分及び215kgf/cm で 60 分の 2 条件とした。

ばらつきが大きいため、今後測定機器の選択や開発も含めて検討する必要がある。
250

また、部分ごとの薬剤固定量を簡易に推定する方法をに 100mm 間隔で測定した。測定後に長さ 100mm で横切りし、105℃で 72 時間乾燥させ、注入材の全乾密度から外側無注入材の平均全乾密度を差し引き、長さ方向の各位置の注入量を計算した(一例：図 3 参照)。100mm ごとの注入量は、変動係数 6.8%から 13.8%であり、ところどころに注入量の尐ない箇所があった。インサイジングを推定薬剤注入量 kg/m3検討するため、高周波含水率計を使い、注入前と注入後

200
150
100y = 21.5 ln(x) + 111
R² = 0.521500

することで均一に注入できると考えていたが、節や密度0との関係も見られないため、今後穴の間隔や注入時間も含め検討が必要と考えられる。

510 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60
含水率計測定値の差 %図 5 注入前後含水率計測定値の差と薬剤注入量の関係

1 枚の板材の中で最尐に近い注入量を推定するため、全さ ら に、節への注入量も推 定 するため，注入量 170

乾密度から推定した注入量の 75%信頼水準の 95%下側許kg/m3 の A 材と、104 kg/m3 の C 材から 6 個の節と、サイ容限界値(対数正規分布あてはめ、以下 5%下限値)と、濃ドマッチング無注入材の節を切り出し、全乾密度を測定

度を乗じて得た注入量の関係を検討したところ、図 4 にした(表 1 参照)。節の全乾密度は 900kg/m3、注入量は 50示すように高い相関があった。近似式から濃度を乗じてkg/m3 程度で、節にはほとんど注入できていないことが分かった。

推定薬剤注入量 kg/m3300

表 1 節の推定薬剤注入量平均値

250200

比較した
節の数個

3m材
薬剤注入量kg/m 3節の推定注入量kg/m 3

未注入材節
全乾密度kg/m 3注入材節
全乾密度kg/m 3A材
C材

42170
1044912873
911922923

A7150

B7C3100

E42.2 現場仕様の本実試験体作製
住宅など建築現場で施工を想定される寸法のスギ板材

50050
100150200250
注入材木口面からの位置 cm(長さ 3m、厚 18mm、働き幅 140mm の本実加工済み、含300

水率は 15％程度)に、図 6 のような直径 2mm の穴を斜め

図 3 全乾密度から推定した長さ方向各位置の薬剤注入量にずらして、板材の幅方向に密にならないように配慮して加工を施した。

220
薬剤注入量の5%下限値 kg/m3No

y = 0.869 xR² = 0.9342001807.515.030.0

φ 2.01601401201001.516.58080100 120 140 160 180 200 220
濃度計算薬剤注入量 kg/m3140.0

φ 2.0 6.0

図 6 スギ板材の穴あけ加工
難燃薬剤はこれまで検討した薬剤と同様として、減圧

図 4 濃度計算と 5%下限値薬剤注入量の関係
37.0

5.86.06.2

3

得た注入量が 160kg/m の場合、5%下限値は 139kg/m であ60torr、加圧、減圧 60torr で注入した。加圧条件は注入量

り、3m のスギ板材の中には、20kg/m3 またはそれ以上のと濃度を考慮して、圧力を 8kgf/cm2 及び 15kgf/cm2、時間低い部分が 1、2 個所含まれているということになる。こを 5 分から 60 分とした。注入量は、コーンカロリーメー

れは、図 3 を見てもあてはまることが確認できる。

ター試験用は 151kg/m3 から 194kg/m3、模型箱試験用は― 182 ―81kg/m3 から 196kg/m3 であった。

2.4 模型箱試験と結果

2.3 コーンカロリーメーター試験と結果

コーンカロリーメーター試験では、節の径が大きい試試作した注入量の異なる試験材 30 枚から、節のある部

験体で総発熱量が高くなることが分かったが、実物大に分 26 か所と、節のない部分 30 個所を 100mm×100mm に近い模型箱試験ではどのような燃焼性状が示されるか、2切り出し、(財)日本建築総合試験所において、50kW/m の輻射熱で 10 分間の試験を行った。

節のあるスギ板材について試験を行った。
3m の薬剤注入後の材を長さ 1m に切断後エンドマッチ

図 7 に節の径と総発熱量の関係を示す。節の径が加工を施し、注入量の近い材でグループ分けして、4 体を節あり、1 体を節なし試験体として製作した。模型箱試験

熱量 8MJ/m2 を超える試験体が出てくることが分かった。

体は、内寸で幅 840mm、長さ 1680mm、高さ 840mm であ

総発熱量 MJ/m29.5mm(節が円形の場合表面積割合 0.7%)を超えると、総発る。試験は(財)日本建築総合試験所において 10 分間の試

35302520151050

注入量 kg/m3

y = 0.432x + 3.88
R² = 0.495～120

験時間で行った(写真 2 及び写真 3 参照)。

121～140141～160
161～180181～200

準不燃基準

05 10 15 20 25 30 35 40 45 50
節の径 mm

図 7 節の径と総発熱量の関係

写真 3 試験中の状況

表 2 重回帰分析及び薬剤注入量の計算結果
回 帰 係 数
薬剤注入量 節の径 mm 板材の厚さ管理方法
mmkg/m 3 表面積割合%A1A2A3節の径-0.0934
0.394-1.095
表面積割合-0.0975
1.32-1.000

表 3 模型箱試験結果
Non = 77

薬剤注入量kg/m
総発熱量を7MJ/m2
板材の厚さを 18mmとしたときの回帰式から推定した
薬剤注入量

3

節の径mm

144148153157
161165170
174
178182186

定数項kg/m
56789101112131415

重相関係数

BR
38.237.9

薬剤注入量

写真 4 試験後の状況

0.719
0.742

No1No2No3No4No5

節 %総発熱量 最高発熱速度 亀裂 穴
薬剤注入量kg/m 3ケ所
平均値 最小値 最大値 標準偏差 変動係数% 表面積割合
MJkW
無174 151 196
11.06.30.30
25.954.0 無
無171 160 194
8.75.10.0024.050.8 無157 140 181
8.4
5.30.1026.251.6 無269281 103
7.0
7.60.3229.268.222149 134 166
9.4
6.3
0.03
24.1
51.16表面積割合

模型箱試験における準不燃基準は、加熱開始後 10 分間%の総発熱量が 50MJ を超えないこと、最高発熱速度が、103140143146148
151154156
159162165
167

0.60.8
1.0
1.2
1.4
1.6
1.8
2.0
2.2
2.42.6さらに 2.1 と 2.3 で行った試験結果から、3m 材の注入秒以上継続して 140kW を超えないこと、また、防火上有害な裏面まで貫通する亀裂及び穴がないことである。
表 3 に薬剤注入量、節表面積割合及び試験結果を、図 8に試験後の節なし及び節あり試験体の炭化範囲(ススで着色も含む)を、また図 9 に総発熱量を示す。表 3 から、すべての試験体は総発熱量が 30MJ 以下、最高発熱速度は70kW 以下であったが、注入量の尐ない No4 及び No5 は、量、節の径または 100mm×100mm に対する節の表面積割亀裂や節の抜けが見られた。また、どの試験体も燃え抜合、試験体の厚さから、総発熱量を求める重回帰分析をけはなかった。

危険率 5%で行った。節の管理上、径か表面積割合のどち

図 8 から、節の有無にかかわらず注入量が同程度であらかを選択できるように考慮して、回帰式は 2 種類を検れば炭化層のある範囲もほとんど変わらないこと、また討した。

図 9 から注入量が平均で 150kg/m3 あれば節の面積にかか

表 2 から総発熱量は、A1 から A3 にそれぞれの係数をわらず、総発熱量や最高発熱速度はあまり差がないこと乗じて B を加算すると推定できる。また、総発熱量を注が分かった。皮が周辺に巻き付いた状態の節では燃え抜入量のばらつきを勘案して 7MJ/m2、板材の厚さを 18mmけたり、乾燥収縮により放射状の亀裂があるものは、亀と仮定し、節の径及び表面積割合を変動させたときの推裂が増大し貫通割れとなった。

定注入量も併せて示した。節は円形ではないため節の径5 体の試験体から推察すると、平均 160kg/m3 程度の注入2と表面積割合では違いがあるが、総発熱量 7MJ/m とする量が亀裂を起こさない限界で、最低限 140kg/m3 の注入のためには、節の径が 9mm の場合 161kg/m3、表面積割合が確保と、節の補修が必要であることが分かった。

32.0%の場合 159kg/m の注入量が必要であることが計算できた。

このことから、今後、コーンカロリーメーター試験により注入量と燃焼による幅方向の収縮率の関係を導き、― 183 ―なし面は、温度上昇の差は見られなかった。また、どの試験体も非加熱側で火炎の噴出や亀裂等の損傷もなく、スギ板材と構造用合板を合わせることで、薬剤注入をしなくても、30 分の防火性能を有することが分かった。
繊維混入ケイ酸カルシウム板 t=25

上枠(120×120)

間柱(30×120)

受材(30×40)@910

柱(120×120)

3000

間柱(60×120)

図 8 試験後の節あり及び節なし試験体の炭化範囲

胴縁(18×45)

35302520151050

左側スギ板材(節あり、t=18)

No1 節0.30%174kg/m^3
No2 節0.00%171kg/m^3
No3 節0.10%157kg/m^3
No4 節0.32%92kg/m^3
No5 節0.03%149kg/m^30246
時間 min

83000
屋外側
￥

せっこうボード t=9.5

屋内側

図 11 試験体概要(板材 t=18mm,合板 t=28mm)

るが、1.0%程度が意匠的に受け入れられる限界であると思われる。

1000900800700600500
4003002001000

3 外装材の試験方法と結果

No1 表面
No1 裏面No2 表面

No2 裏面No3 表面
No3 裏面No4 表面
No4 裏面加熱温度05103.1 壁防火性能試験方法
壁防火性能試験体について、表 4 及び図 11 に示す。ス
ギ柱材を中央に、表面には無注入のスギ板材節あり材を左側に、節なし材を右側に配置し、胴縁を挟んで裏面の構造用合板とともに間柱に止めつけた。

No1No2No3No41520時間 min2530

図 12 壁防火性能試験における構造用合板表裏最高温度

4 まとめ
難燃薬剤を節のあるスギ板材に注入して、コーンカロリーメーター試験と模型箱試験を行い、注入量と節の径や表面積割合の関係を明らかにした。また、外壁の防火

表 4 壁防火性能試験外装材の条件
試験体
No枠(120×120)

水平断面図

温度 ℃

なお、節の表面積割合については、好みの問題ではあ屋外側立面図

構造用合板 t=28

図 9 模型箱試験における総発熱量た。

右側スギ板材(節なし、t=18)

スギ板 t=1810

模型箱試験における亀裂との関連性を検討することにし透湿防水シートt=0.2193.5

総発熱量 MJ

構造用合板t=28

性能試験では、スギ板材とスギ合板の重ね合わせ仕様で前面無注入スギ板材
裏面 スギ構造
厚さ mm 働き幅 mm 節の有無 用合板 厚さ mm
12140 左有：右無2818140 左有：右無2815107 左有：右無2415107 左有：右無2830 分の防火性能を有することが示唆された。
謝辞

試験は(財)建材試験センター及び(財)ベターリビングにおいて、載荷加熱試験(30 分)を行った。なお、節の表面積

当該研究は、平成 21 年度林野庁補助事業「地域材利用加速化緊急対策支援事業のうち耐火部材の開発事」によって実施した。関係の皆様に謝意を表する。

2）割合は最大 0.9%(写真撮影による画像処理 Image J )であった。今回行った画像処理は、節の表面積割合を簡易に

参考文献：1) 林野庁、森林資源の現況、平成 19 年 3 月 31 日

測定する方法として有効と考えられた。

2) Image/J：画像処理解析プログラム NIH Image

3.2 壁防火性能試験結果を Java 言語で書き換えたフリーソフトウェア：

結果を図 12 に示す。前面のスギ板材が厚さを増すほど、

http://rsb.info.nih.gov/ij/その燃え抜け時間が遅れる傾向が見られた。節あり、節*1 広島県立総合技術研究所林業技術センター*2 小城六右衛門商店*1 HITRI *2 Ogirokuemonsyouten *3 Mokukouzoushinkou *4 Seihoku *5 General*3 木構造振興 *4 セイホク *5 日本建築総合試験所 *6 ベターリビン

Building Research Corporation of Japan *6 The Centre for Better Living *7 JapanグTesting Center for Construction Materials*7 建材試験センター *8 森林総研 *9 鹿島建設(研究実施時 早稲田大学) *10 早稲田大学

Graduate student, Waseda Univ)― 184 ―

*8 FFPRI *9 Kajima Corp.(Formerly*10 Waseda University