Manufacturing of quasi-noncombustible plywood on the real line and developing of price competitive self-charring stop type fire resistant wooden materials and joints using this plywood

2019 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 19H03020
• Research Institution: Akita Prefectural University
• Principal Investigator: 中村 昇 秋田県立大学, 木材高度加工研究所, 教授 (30180384)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 板垣 直行 秋田県立大学, システム科学技術学部, 教授 (00271891) ; 栗本 康司 秋田県立大学, 木材高度加工研究所, 教授 (60279510)
• Project Period (FY): 2019-04-01 – 2022-03-31
• Keywords: 環境親和性 / 燃え止まり型 / 木質耐火部材 / 灰分 / 集成材のみ

Outline of Annual Research Achievements

20世紀の大量生産・大量消費・大量廃棄からの脱却、そして地球温暖化防止の脱炭素への動きは、地殻変動が起こるほどの変革の時代をもたらそうとしている。木材は、それ自体がカーボンニュートラルであり、環境親和性の高い資源・材料で、カスケード利用ができ、最終的にはサーマルリサイクルが可能である。木造は構造自体可燃物であり、裸木造を建てる場合、耐火構造として自消する燃え止まりが要求される。これまで耐火部材として不燃薬剤を注入した材との複合などが行われてきたが、このような複合化をしてしまうと、建物の解体時に埋め立てるしか廃棄ができなくなってしまい、リユースやリサイクルが難しくなる。これまでカラマツ材やベイマツ材を用いた1時間耐火試験で燃え止まったという報告はなされているが、スギ材を用いた耐火試験で燃え止まったという報告はない。何故、カラマツやベイマツで燃え止まり、スギでは燃え止まらないのか？そのカギは灰分にあると思われる。理由は、炭素系物質やそれらから作った炭の酸化に対しては、灰分が触媒として働き、活性化エネルギーを低下させ、酸化反応を促進することが古くから知られているからである。つまり、灰分量の少ない材を使えば、木材のみで自消する可能性がある。そこで、灰分量の少ないカラマツ材やベイマツ材、スギ辺材を用いた、2時間耐火試験を行った。その結果、スギ辺材であれば1時間耐火構造が、カラマツ材やベイマツ材であれば2時間耐火構造が可能ではないかと考えられた。

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

荷重支持部に相当する断面は幅315mm×せい600mmで、その周りに厚さ120mmの集成材を配置している。長さは5500mmである。スギ辺材を用いた1時間耐火試験体では、荷重支持部の一部、特に隅角部が炭化し、認定試験ではアウトとなるが、これまで示してきたように、局部的な赤熱燃焼はいずれ止まり、燃え止まったと判断してもいと思われる。断面の炭化層の様子を示したが、辺材のみで製造した周辺部の暑さが150mmほどであったなら、荷重支持部も炭化はしなかったのではないかと思われる。また、カラマツ材を用いた2時間耐火試験体では、脱炉後一部赤熱が残っていたが、ベイマツ材を用いた2時間耐火試験体では、脱炉後赤熱はほぼ止まっていた。このことから、ラミナの段階で灰分量を非破壊的に測定し、灰分量の少ないと考えられるラミナを用いて集成材を作成すれば、燃え止まる可能性が高いと考えられる。

Strategy for Future Research Activity

なるべく多くのラミナについて、灰分量をJISの方法で測定するとともに、近赤外光を用いて検量線を作成する。この検量線を適用し、ラミナを近赤外光を用いて測定し、ラミナを選別した上で、集成材を製造し、耐火試験を行う。2時間耐火であれば灰分量0.1%以下、1時間耐火であれば灰分量0.3%以下が目安になると考えられる。樹種はカラマツ、ベイマツ、スギとするが、スギは灰分量の少ない辺材のみとする。また、燃え止まりメカニズムを解析する。灰分は参加反応に対し、触媒として働く。触媒は、活性化エネルギーを下げる。燃え止まるとは、炭の赤熱燃焼が止まることである。炭、換言すれば炭素が酸素と反応し、反応熱が発生する。その反応熱が活性化エネルギーを超えるために用いられると考えられる。灰分があると、発生する反応熱は同じであるにもかかわらず、超えるべき活性化エネルギーを下げ、この反応が連鎖し循環するため、赤熱燃焼が止まらないと考えられる。このようなモデルを作成するとともに、炭化温度の異なる炭を作成し、活性化エネルギーを算出し、モデルを検証する。