東京理科大学「火災安全科学研究拠点」■研究成果概要報告書
高温環境下にさらされたポリマー補修構
研

究 課 題

造物の熱分解ガス定量化に関する実験的研究

研究代表者

所属

韓国建設生活環境試験研究院

氏名

金 亨俊

問合せ先メールアドレス
受入担当責任者

氏名

実 施 年 度
平成 26 年度

arc7707 @ kcl.re.kr
大宮 喜文

（教授）

１．研究の背景および目的
近年、日本国内でのコンクリートの生産量は減少傾向を示しているが、コンクリート構造物の累積量は徐々に増加しているため、既存構造物の長寿命化が要求されている。さらに、建築物の維持管理に必要な費用は膨大なものになると予想される。
そこで、耐久性や経済性の面から環境および人類への負担をできるだけ最小に押さえる構造物の建設や既に劣化し始めた構造物に対する最適な補修・補強工法が必要である。
ポリマーセメントモルタルはセメントモルタルの結合材の一部をポリマーで代替したもので、セメントモルタルにポリマー混和剤（セメント混和用ポリマーとも呼ぶ）を混和してつくられたもので、母材との接着性、水密・気密性の組織構造、耐薬品性、化学抵抗性等が優れ、コンクリート構造物の補修・補強には必要不可欠な材料となっている。 しかし、その構成材料に可燃性のポリマー結合材（有機物）を含むため、ポリマー混入量が増えた場合の防耐火上の問題が生じる可能性が指摘されている。すなわち、ポリマーセメントモルタルで構造物を補修し、維持管理しようとすると、コンクリート構造物の防耐火性状が下がり、火災危険性が増すため、ストック管理上、脆弱性がある。

図1

建築構造物での維持管理の重要性

高温時におけるポリマーセメントモルタルの物性として、接着性の実験により、常温時の付着強度は著しく改善され、高温による付着強度も加熱温度が 500℃程度までは、十分な付着強度が残存しているのを確認していることから、温度によらず補修部材としての頑健性があることが検証されているが、ポリマーへの着火、爆裂現象、温度上昇による断面欠損と鉄筋温度上昇など、一般的なコンクリートやモルタルの無機質材料と異なる性質の変化および耐力低下が予想される。そのため、平成 12 年の建築基準法改正では、P/C が 4%を超えるものについては、防耐火性の確認が必要であるとされているものの、これに関連する研究は大濱らによるポリマー結合材の量を必要最小限度に抑える研究や難燃剤などを添加した研究しかなされておらず、一定の評価方法も示されていない状況にある。
したがって、高温環境下におけるコンクリート補修構造物の発生燃焼ガスの定量化および発生ガス成分把握を通じ、維持補修材料の熱分解過程を理解し、火災時ポリマーの着火および爆裂により在室者の安全、避難路確保のための材料的な研究検討が必要である。
そこで、本研究では、ポリマーセメントモルタルの燃焼特性を把握する上で、生成ガスの種類および量を測定して生成ガスの定量化のための研究を目的とする。すなわち、ポリマーセメントモルタルが燃焼する時、生成ガスの量および種類を把握し、発生ガスの正確な測定方法構築および新しい実験方法の提案を目的とする。
２．利用施設及び利用日
・ FT-IR 装置（2015 年 03 月 18 日 ～ 03 月 22 日）：東京理科大学
・ Smoke Density Chamber 装置（2015 年 03 月 18 日 ～ 03 月 22 日）：東京理科大学
・ 練り混ぜ用試験機および型枠（2014 年 12 月 04 日 ）：韓国建設生活環境試験研究院
・ 養生機（2014 年 12 月 05 日 ～ 2015 年 01 月 10 日）： 韓国建設生活環境試験研究院

図2

FT‐IR 装置および Smoke Density Chamber 装置内部(東京理科大学)

図3

練り混ぜ、型枠(KCL 製作)、養生機装置(韓国建設生活環境試験研究院)

３．実験方法・研究成果、および考察（申請時の計画に対する達成度合いも含む）※継続課題の場合は，前年度との関係性，進展度合いについても記載すること。
⑴ 実験概要ポリマーセメントモルタルの調合の考え方として、一般的には、結合材（セメント）に対するポリマー量の比（P/C（%））で表現されることが多い。しかし、熱的性質の検討を行う場合には、ポリマーの絶対量が問題になると考え、相対量である P/C ではなく、単位容積当たりのポリマー量（kg/㎥）として表現することが望ましい。そこで、ポリマーの種類、ポリマーの量に関する調合条件として、単位ポリマー量とポリマーセメント比（以下、P/C）の関係を変えたポリマーセメントモルタルの発熱性試験を行い、その結果について検討する必要がある。なお、その結果を基本として Smoke Density 試験機に連結した FT-IR 分析を行い、二つの結果を比較·分析する必要がある。
⑵ 調合および実験方法
ポリマーは、JIS A 6203 に規定されるエチレン・酢酸ビニル(EVA)、スチレンブタジエンゴム(SBR)を使用した。また、再乳化形粉末樹脂には、粉末樹脂に対して消泡剤が 1%添加されている。調合の考え方は、水セメント比（W/C）50%、セメント砂比（S/C）3 を標準として単位ポリマー量を変化させた水準とした。なお、W/C:50%、S/C:3 の標準的な調合の場合、単位ポリマー量 10 kg/㎥は概ね P/C:2%に相当する。試験体は 75×75×20(mm)に打設した後、4 週間水中養生（20℃）し、9 週間気中養生（20℃、60%R.H.）を行った。さらに、試験の前に、各試験体を 60℃の乾燥器内で 2 日間乾燥し、室温までデシケータの中で徐々に冷却した。各試験体の含水率は同時に作製した別の供試体の吸水率および試験前の供試体質量より推定し、0.5～2.0%の間にあることを確認した。また、加熱強度を実験因子とし、輻射強度
25 ㎾および 50 ㎾とした。
表1

使用材料特性及び実験因子

セメント

普通ポルトランドセメント（密度 3.16g/㎤）

細骨材

江原道産川砂（組粒率：2.97, 比重：2.63, 率：1.81％）

ポリマー

EVA

エチレン・酢酸ビニル(再乳化粉末型)

SBR

スチレンブタジエンゴム(液体型)

実験因子

範囲

加熱強度（輻射強度）

25, 50（㎾）ポリマー種類EVA, SBR

単位ポリマー量（質量比）

5, 10, 20 (%)

各数準は実験結果の信頼性を高めるため、二つずつ実験を行った。実験方法および手順は①試験体製作 ②脱型および養生 ③試験体調整および含水率調整 ④コーンカロリーメータ

試験（加熱強度調整）⑤FT-IR 装置を利用した生成ガス分析を行った。しかし、④は韓国での実験で発生ガスの測定ができなくなってしまい既存の研究を参考として分析を行った。測定失敗の原因は予想通りコーンカロリーメータ試験機の中で煙分析を担当するオピロスまで発生ガスが至ることができないと推察される。
⑶

実験結果及び考察① 既往の研究の分析および考察
表2

申請時の計画

表 2 は申請当時の計画を示す。全体的な研究進行は普通であるが、発生ガス量を測定するため、いろいろな方法を検討することが添加され、さらに、試験方法に合う実験体の作製および養生も時間的に不十分である。既存の金らの研究では JIS M 8841 に準拠して各試験体に含まれるポリマー量を潜在的発熱量とし、単位ポリマー量×体積×ポリマー発熱量により計算した。その発熱量をコーンカロリーメーター試験（発熱性試験）によって得られたポリマーセメントモルタルの総発熱量と比較すると、試験体の内部に、燃焼したポリマーガスが残存することが分かる。このことより、内部に残存しているポリマーガス量は、ポリマー混入量に伴う高温環境におけるポリマーセメントモルタルの爆裂や着火の発生有無を判断する手段として利用できる。今回の研究では、金らの研究を着目して実際に試験体外部へ放出される発生ガス量、最大発生量及び発生ガスの種類を測定し、分析することが目的である。
また、既往の研究をまとめてポリマーセメントモルタルの高温時の変状のイメージを図 5に表す。
(MJ/㎡)
4540(MJ/㎡)
45総発熱量40

潜在的発熱量353530302518MJ/㎡

2015

総発熱量
潜在的発熱量12MJ/㎡

25201510105

ポリマー量（㎏/㎥）00204060801005

ポリマー量（㎏/㎥）0020406080100

図 4．EVA(再乳化形粉末)の残存発熱量と SBR(ディスパージョン)の残存発熱量

図 5． 高温下においてポリマーセメントモルタルの変状のイメージ化② コーンカロリーメーター試験結果
ポリマーセメントモルタルが熱を受けると、内部の有機物が一定の温度領域で熱分解反応を起こすため、燃焼ガスが発生し、内部の圧力が上昇する。発生熱量の検討は先で行ったが、発生ガスの成分についても検討する必要がある。可燃性ガス（CH4）の発生は、着火現状に関係し、CO2 および CO ガスは、炭化反応に関係すると考えられる。そこで、本実験では、コーンカロリーメーター試験を用いて、ポリマーセメントモルタルの発生ガス、すなわち、構成成分ガスを測定し、検討を行った。 結果としては、発生ガスの大部分は CO2 ガスが占めている。CO ガスおよび CH4 ガスは、全体発生ガス中約 1%以下を占めている。このことから、熱分解ガスで、発生ガス成分の大部分は CO2 ガスであることが分かる。

図 6． コーンカロリーメーター試験

しかし、試験体の寸法は 100*100*10 ㎜であり、実験中に発生したガスの測定はガス採取からガス測定装置まで距離があるため、発生したガスが測定位置までうまくいけるかどうかが問題である。そこで、コーンカロリーメーター試験を利用した発生ガスの測定及び分析
より Smoke Density Chamber 装置に FT-IR 分析装置を連結して測定するのがよいと思う。

③ Smoke Density +※FT-IR 分析装置の試験結果

煙密度実験
表3

Test items/specimen
Maximum specific optical density
Time to maximum specific optical density
Clear beam transmission
Clear beam specific optical density
Corrected maximum specific optical density

Units%-

表4
Test items/specimen
Maximum specific optical density
Time to maximum specific optical density
Clear beam transmission
Clear beam specific optical density
Corrected maximum specific optical density輻射強度-25 ㎾の場合
NON EVA 5% EVA 10% EVA 20% SBR 5% SBR 10% SBR 20%
1.28
19.44
7.69
114.98
11.28
62.64
63.48
1195
1200
1200
1200
1200
1200
1198
100
10096.94
100
100
99.97
98.09
00
1.78
000.01
1.1
1.28
19.44
5.9
114.98
11.28
62.63
62.38

輻射強度-50 ㎾の場合

Unit
s%-NON EVA 5% EVA 10% EVA 20% SBR 5% SBR 10% SBR 20%
2.89
10.86
55.23
2.32
63.63
30.06
368.542868471200
1200
1200803
1065
99.01
99.26
99.7
10010091.13
32.73
0.570.430.17005.3364.03
2.3210.4355.05
2.3263.6324.73304.51

図 7． 煙密度実験+FT－IR 分析試験

実際火災を模写するため、加熱強度（輻射強度）を 25 ㎾、50 ㎾として実験を行った。煙
密度実験の結果、ポリマーの種類に関わらずポリマー量の増加によって燃焼ガスの発生量増加が分かった。また、試験体の特性によって結果が違うこともあるが、大体に加熱強度とポリマー含有率により発生ガス量が直線的に増加する。FT‐IR 装置で発生ガスを分析すると有害なガスは発生しない。しかし、可燃性ガス( CH4)が発生すると SBR は実験体表面で着火が起きることもある。
既往の研究では、EVA は爆裂が、SBR は着火することが多いと示しているが今回の実験でもこのことが確認された。 FT－IR 分析はもっと分析する必要があるが、今回の研究では、可燃性の程度(値)や外部に出る発生ガス量の程度などを確認するだけである。次年度の研究では内部に存在するガス量を測定する方法も模索する必要がある。

４．今後の展望（今後の発展性，見込み等についても記述）
火災時、建築構造物は急激な熱を受けて構造的に弱化され、断面欠損は発生して構造物の崩壊を招く。これは、非正常熱応力や水蒸気圧が原因であると既存の研究では示しておるが、それに対する検討方法や水蒸気圧測定に関連して明確に提示した研究や研究報告書はない状況である。また、ポリマーセメントモルタルはポリマーという有機物が含有され、上の原因以外に熱分解生成ガスも構造的な弱化の原因になる。したがって、コーンカロリーメータ試験を行い、総発熱量および最大発熱速度を把握し、その時の発生ガスの測定も同時に行うため、FT-IR 分析実験も必要である。韓国は構造物の材料について燃焼特性把握実験としてコーンカロリーメータ試験を実施しているが、FT-IR 分析を通じたガス定量化は実施しない状況である。しかし、もっと精密なガス発生量を測定するためコーンカロリー
メータ試験試験機に FT-IR 分析装置を連結してガス量を測定より Smoke Density Chamber装置に FT-IR 分析装置を連結して測定するのがよいと思う。それは、試験機の測定位置の特性のため、すなわち、ガスが発生したところで発生ガス量を測定するかどうかによってもっと細かい測定値が得ると考えられる。そこで、韓国でのコーンカロリーメータ試験機を利用した測定方法と今回、実験した Smoke Density Chamber 装置を使用した測定方法を比較分析し、DB 蓄積するのが一番よい測定方法であると判断させれ。
さらに、発生ガスの毒性有無、種類、ガス生成量の定量化は構造物の安全（爆裂）、在室者の避難路確保、消防官の消防活動に多大な役割をすると予想される。
５．成果の公表状況（学会への発表，学術誌への投稿等を記述。予定も含む）
・ 今年（2015 年）も継続する課題となって今回の実験結果を分析して 7 月初旬に韓国火災消防学会の学術誌への投稿予定である。
・ また、RILEM(材料構造物試験•研究機関国際連合)技術委員会の技術報告書あるいは技術専門委員会の会議でこの内容を反映するつもりである。(東京理科大学との協議する予定)
・ その以外に、日本火災学会や韓国防災学会の学術誌への投稿も準備
６．経費の使用状況
今年度の国際共同研究は本研究院(KCL, 韓国建設生活環境試験研究院)防災技術評価センターチームが成立した以後最初の国際研究であり、研究院も興味を持って進行してきた。
試料および材料の購入も研究目的でいろいろな企業の支援を受け、研究費用の節減した。
その以外に、旅費のみ研究費用となった。最初、研究計画では、韓国で材料手配し、日本へ持ってきて実験を進行するつもりだったが、うまくできなくて韓国で実験体を製作し、東京理科大で本実験だけを行った。

消耗品費・会議費・印刷費等事

項

PTFE フィルタ金額(円)76,896

ー他

小計

旅費
事

項

共同研究者

人件費
金額(円)

事

項

金額(円)

56,123

旅費

76,896

小計56,123小計－

東京理科大学 負担分 総計 133,019 円
韓国建設生活環境試験研究院 負担分 総計 140,000 円※スペースが足りない場合はページを増やしても構いません。
※上記 5 に記載された成果公表については，別刷１部をご提出願います。PDF ファイル等の電子データでも構いません。
※本成果報告概要書に記載された内容は，本拠点の成果報告として Web 等で公開されることをお含み置き下さい。
※本成果報告概要書と併せて，研究報告書を提出頂いても構いません。(フォーマットは問いません。)※後日開催予定の成果講評会で使用されるプレゼンテーション用の電子ファイルについても提出願います。(学内での報告に使用)