(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】
(24)【登録日】2024-04-22
(45)【発行日】2024-05-01
(54)【発明の名称】木質系耐火被覆用石こう組成物の調合方法
(51)【国際特許分類】
E04B 1/94 20060101AFI20240423BHJP
B32B 21/04 20060101ALI20240423BHJP
B27K 3/18 20060101ALI20240423BHJP
【ＦＩ】
E04B1/94 U
E04B1/94 R
E04B1/94 V
E04B1/94 E
B32B21/04
B27K3/18
【請求項の数】
5
(21)【出願番号】P 2020201799
(22)【出願日】2020-12-04
(65)【公開番号】P2022089421
(43)【公開日】2022-06-16
【審査請求日】2023-01-24
(73)【特許権者】
【識別番号】000206211
【氏名又は名称】大成建設株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】100162396
【弁理士】
【氏名又は名称】山田 泰之
(74)【代理人】
【識別番号】100122954
【弁理士】
【氏名又は名称】長谷部 善太郎
(74)【代理人】
【識別番号】100194803
【弁理士】
【氏名又は名称】中村 理弘
(72)【発明者】
【氏名】馬場 重彰
(72)【発明者】
【氏名】鈴木 達朗
(72)【発明者】
【氏名】池畠 由華
【審査官】兼丸 弘道
(56)【参考文献】
【文献】特開２０２０－１８０４４３（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開平０４－１７６９５０（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開平０７－１８０２７０（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開昭５２－００７１３４（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０２０－１７６３７６（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１７－００２６１４（ＪＰ，Ａ）
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｅ０４Ｂ １／９４
Ｂ３２Ｂ ２１／０４
Ｂ２７Ｋ ３／１８
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
荷重支持部の外周に耐火被覆層を設けた建物の耐火構造材であって、当該耐火構造材は長さ３～１０ｍの柱又は梁であり、
荷重を負担する木質の荷重支持部と、
荷重支持部の表面に設けられた水分遮断層と、
水分遮断層の外側に設けられたラス金網層と、
ラス金網層の外側に設けられた耐火被覆層と、
を備え、
耐火被覆層は、石膏と水と遅延材を含む石こう組成物であって、石膏：水：遅延材が重量比において、１００：３０～５０：０．０１～１．０であり、硬化開始時間が３０分以上であって石こう硬化体の密度が１．２ｇ／ｃｍ３以上に調整された石こう組成物で充填形成されていること、を特徴とする耐火構造材。
【請求項2】
石こう組成物の組成は、さらに、石膏の重量１００に対して、減水材を重量比３～１０の範囲で含むことを特徴とする請求項１の記載の耐火構造材。
【請求項3】
耐火被覆層が６０ｍｍ以上であって、耐火時間が２時間以上であることを特徴とする請求項１または２に記載の耐火構造材。
【請求項4】
請求項１から３のいずれかに記載の耐火構造材において、木質の荷重支持部の表面に水分遮断層とラス金網層を形成し、その外周に６０ｍｍ以上の隙間を開けて型枠を設け、該隙間に石膏と水と遅延材を含む石こう組成物であって、石膏：水：遅延材が重量比において、１００：３０～５０：０．０１～１．０であり、硬化開始時間が３０分以上であって石こう硬化体の密度が１．２ｇ／ｃｍ３以上に調整された石こう組成物を充填して、硬化させて耐火被覆層を形成して建物の耐火構造材を製造する方法。
【請求項5】
石こう組成物の組成は、さらに、石膏の重量１００に対して、減水材を重量比３～１０の範囲で含むことを特徴とする請求項４に記載の建物の耐火構造材を製造する方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、木質系構造材に対する耐火技術に関する。
【背景技術】
【0002】
木材は、なじみがある素材であって、古来より住宅などの建築に利用されてきており、戦後造林された森林資源も充実してきている。一方、木材は、可燃性材料であって、単木では品質にばらつきがあることなど建築材料としては使いにくい点がある。
集成材などにして、均一性の高い木質系素材も開発され、大型建築にも利用可能となっている。可燃性対策も各種検討されている。例えば、難燃薬剤を含浸させる方法や難燃材や耐火材で被覆する方法などがある。
一方、平成２２年に「公共建築物等における木材の利用の促進に関する法律」が施行されたことに伴い、建築物への木材利用の機運が高まっている。
集成材などにして、均一性の高い木質系素材も開発され、大型建築にも利用可能となっている。可燃性対策も各種検討されている。例えば、難燃薬剤を含浸させる方法や難燃材や耐火材で被覆する方法などがある。
一方、平成２２年に「公共建築物等における木材の利用の促進に関する法律」が施行されたことに伴い、建築物への木材利用の機運が高まっている。
【0003】
可燃性対策に関する従来の提案をいくつか紹介する。
特許文献１（特開２０１２－１３６９３９号公報）には、荷重支持部の外隅部に難燃化処理材を配置し、米松などの外周材を設けて、耐火性能を向上させる提案がなされている。
特許文献２（特開２００６－２１８７０７号公報）には、内層集成材と外層集成材をエポキシ樹脂、イソシアネート樹脂、又はウレタン樹脂の接着剤で接合し、かつ内層集成材にレゾルシノール樹脂接着剤を用いた木質系構造材が提案されている。
特許文献３（特開２００５－５３１９５号公報）には、荷重支持層の外側にモルタルや金属などの不燃材を配置した複合木質構造材が提案されている。
特許文献４（特開２０１２－１８０７００号公報）には、木質部の外側に発泡層と金属膜を複数層設ける技術が開示されている。
特許文献５（特開２０１７－２６１４号公報）には、荷重支持部と燃代層との隙間に流動状の石こうを上から流し込んで充填し、充填後に石こうが硬化することで燃止層を形成して燃代層の燃焼熱が燃止層に効果的に吸収されるようにした耐火性の木質柱が開示されている。
本出願人は、特許文献６（特開２０１８－１３５６４３号公報）として、荷重支持部と、荷重支持部の周囲に被覆された湿式の耐火被覆層と、耐火被覆層の外側に周設された仕上げ木材層とを備える木質耐火部材であって、ロックウールとセメント、水を主成分とする吹付けロックウール、または白セメント、水酸化アルミニウム、炭酸カルシウムを主成分とする吹付けセラミック系耐火被覆材を湿式耐火被覆材とし、荷重支持部と耐火被覆層との間、および、耐火被覆層と仕上げ木材層との間に、水分遮断層を形成した木質耐火部材を提案している。
本出願人は、また、特許文献７（特開２０１９－７８０４４号公報）として、木質荷重支持部と、木質荷重支持部の外側面に設けられる水分遮断層と、水分遮断層を被覆する発泡性耐火被覆層と、発泡性耐火被覆層の外側に設けられた仕上げ木材層とを備え、耐火被覆層に配置された連結部材に仕上げ木材層を固定した木質耐火部材を提案している。
特許文献１（特開２０１２－１３６９３９号公報）には、荷重支持部の外隅部に難燃化処理材を配置し、米松などの外周材を設けて、耐火性能を向上させる提案がなされている。
特許文献２（特開２００６－２１８７０７号公報）には、内層集成材と外層集成材をエポキシ樹脂、イソシアネート樹脂、又はウレタン樹脂の接着剤で接合し、かつ内層集成材にレゾルシノール樹脂接着剤を用いた木質系構造材が提案されている。
特許文献３（特開２００５－５３１９５号公報）には、荷重支持層の外側にモルタルや金属などの不燃材を配置した複合木質構造材が提案されている。
特許文献４（特開２０１２－１８０７００号公報）には、木質部の外側に発泡層と金属膜を複数層設ける技術が開示されている。
特許文献５（特開２０１７－２６１４号公報）には、荷重支持部と燃代層との隙間に流動状の石こうを上から流し込んで充填し、充填後に石こうが硬化することで燃止層を形成して燃代層の燃焼熱が燃止層に効果的に吸収されるようにした耐火性の木質柱が開示されている。
本出願人は、特許文献６（特開２０１８－１３５６４３号公報）として、荷重支持部と、荷重支持部の周囲に被覆された湿式の耐火被覆層と、耐火被覆層の外側に周設された仕上げ木材層とを備える木質耐火部材であって、ロックウールとセメント、水を主成分とする吹付けロックウール、または白セメント、水酸化アルミニウム、炭酸カルシウムを主成分とする吹付けセラミック系耐火被覆材を湿式耐火被覆材とし、荷重支持部と耐火被覆層との間、および、耐火被覆層と仕上げ木材層との間に、水分遮断層を形成した木質耐火部材を提案している。
本出願人は、また、特許文献７（特開２０１９－７８０４４号公報）として、木質荷重支持部と、木質荷重支持部の外側面に設けられる水分遮断層と、水分遮断層を被覆する発泡性耐火被覆層と、発泡性耐火被覆層の外側に設けられた仕上げ木材層とを備え、耐火被覆層に配置された連結部材に仕上げ木材層を固定した木質耐火部材を提案している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0004】
【文献】特開２０１２－１３６９３９号公報
【文献】特開２００６－２１８７０７号公報
【文献】特開２００５－０５３１９５号公報
【文献】特開２０１２－１８０７００号公報
【文献】特開２０１７－２６１４号公報
【文献】特開２０１８－１３５６４３号公報
【文献】特開２０１９－７８０４４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
本発明者等は、木質の耐火構造材として、木質の荷重支持部の外周面に石こう層を設けた木質系の耐火構造材を研究し開発している。本発明は、耐火性を発揮する石こう組成と長大な柱や梁の外周に数センチの石こう層を形成する施工性に優れた石こう組成を明らかにすることと、その石こうを用いた耐火構造材を開発することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0006】
本発明の主な解決手段は次のとおりである。
１．荷重支持部の外周に耐火被覆層を設けた建物の耐火構造材であって、
当該耐火構造材は長さ３～１０ｍの柱又は梁であり、
荷重を負担する木質の荷重支持部と、
荷重支持部の表面に設けられた水分遮断層と、
水分遮断層の外側に設けられたラス金網層と、
ラス金網層の外側に設けられた耐火被覆層と、
を備え、
耐火被覆層は、石膏と水と遅延材を含む石こう組成物であって、石膏：水：遅延材が重量比において、１００：３０～５０：０．０１～１．０であり、硬化開始時間が３０分以上であって石こう硬化体の密度が１．２ｇ／ｃｍ３以上に調整された石こう組成物で充填形成されていること、を特徴とする耐火構造材。
２．石こう組成物の組成は、さらに、石膏の重量１００に対して、減水材を重量比３～１０の範囲で含むことを特徴とする１．の記載の耐火構造材。
３．耐火被覆層が６０ｍｍ以上であって、耐火時間が２時間以上であることを特徴とする１．または２．に記載の耐火構造材。
４．１．から３．のいずれかに記載の耐火構造材において、木質の荷重支持部の表面に水分遮断層とラス金網層を形成し、その外周に６０ｍｍ以上の隙間を開けて型枠を設け、該隙間に石膏と水と遅延材を含む石こう組成物であって、石膏：水：遅延材が重量比において、１００：３０～５０：０．０１～１．０であり、硬化開始時間が３０分以上であって石こう硬化体の密度が１．２ｇ／ｃｍ３以上に調整された石こう組成物を充填して、硬化させて耐火被覆層を形成して建物の耐火構造材を製造する方法。
５．石こう組成物の組成は、さらに、石膏の重量１００に対して、減水材を重量比３～１０の範囲で含むことを特徴とする４．に記載の建物の耐火構造材を製造する方法。
１．荷重支持部の外周に耐火被覆層を設けた建物の耐火構造材であって、
当該耐火構造材は長さ３～１０ｍの柱又は梁であり、
荷重を負担する木質の荷重支持部と、
荷重支持部の表面に設けられた水分遮断層と、
水分遮断層の外側に設けられたラス金網層と、
ラス金網層の外側に設けられた耐火被覆層と、
を備え、
耐火被覆層は、石膏と水と遅延材を含む石こう組成物であって、石膏：水：遅延材が重量比において、１００：３０～５０：０．０１～１．０であり、硬化開始時間が３０分以上であって石こう硬化体の密度が１．２ｇ／ｃｍ３以上に調整された石こう組成物で充填形成されていること、を特徴とする耐火構造材。
２．石こう組成物の組成は、さらに、石膏の重量１００に対して、減水材を重量比３～１０の範囲で含むことを特徴とする１．の記載の耐火構造材。
３．耐火被覆層が６０ｍｍ以上であって、耐火時間が２時間以上であることを特徴とする１．または２．に記載の耐火構造材。
４．１．から３．のいずれかに記載の耐火構造材において、木質の荷重支持部の表面に水分遮断層とラス金網層を形成し、その外周に６０ｍｍ以上の隙間を開けて型枠を設け、該隙間に石膏と水と遅延材を含む石こう組成物であって、石膏：水：遅延材が重量比において、１００：３０～５０：０．０１～１．０であり、硬化開始時間が３０分以上であって石こう硬化体の密度が１．２ｇ／ｃｍ３以上に調整された石こう組成物を充填して、硬化させて耐火被覆層を形成して建物の耐火構造材を製造する方法。
５．石こう組成物の組成は、さらに、石膏の重量１００に対して、減水材を重量比３～１０の範囲で含むことを特徴とする４．に記載の建物の耐火構造材を製造する方法。
【発明の効果】
【0007】
１．本発明は、石膏、水、及び遅延材を含む石こうの組成を硬化開始時間３０分以上、石こう硬化体の密度を１．２ｇ／ｃｍ３以上に調整することにより、耐火性と良好な施工性を実現できる。
２．硬化開始時間３０分以上、硬化体の密度１．２ｇ／ｃｍ３以上の石こう組成は、重量比で石膏：水：遅延材（：減水材）＝１００：３０～５０：０．０１～１．０（：３～１０）が適切である。遅延材は、０．０３～０．３重量％が好ましい。特に、遅延材の添加量は０．３重量％で可使時間の確保には十分であって、それ以上添加する必要性は小さい。
この発明によれば、耐火被覆層を形成する石こう硬化体を、石膏、水、遅延材に必要に応じて減水材を追加し、調合後に攪拌することで、硬化開始時間に影響を及ぼす水分量を攪拌過程で所定量に調整することが可能となる。この発明によって、目標とする密度、硬化開始時間を適宜設定できることとなる。
柱や梁などの構造材は、３ｍ以上の長さがあって、薄い石こう層を設けることとなるので、準備時間など含めると硬化開始前のハンドリングできる時間として、製造現場として３０分以上確保することが必要となる。
３．荷重支持部の外周に数センチの充填用の隙間を設けた型枠に、石こう組成物を充填して密度１．２ｇ／ｃｍ３以上の石こう層を形成した耐火構造材を製造することができる。柱材や梁材を木質系の耐火構造部材として構築することで、木材を主要な荷重支持材として利用できる。水分遮断層を設けることにより、３０～５０％の水を含有する充填された石こう組成物からの水分が木質層に移行しないので、木質層の膨潤が防止され、石こうが水和硬化する水分量が局所的に変化して石こうの硬化及び材質のバラツキが発生することを防止することができる。
４．この発明によれば、石膏、水、及び遅延材を所定の重量比で調合し、攪拌後に充填して硬化させた石こう硬化体を形成して耐火被覆層を形成することで、必要な耐火性能を満足する密度を確保でき、かつ液状の石こうが硬化を始める時間の閾値３０分以上を確保できる。よって、耐火被覆層を石こう硬化体で形成できるために、木質の荷重支持部の横断面が矩形状や円形状であっても木質の荷重支持部と耐火被覆層とが密着された木質系の耐火構造部材が実現可能である。本発明の耐火構造材は、２時間以上の耐火性能を発揮できる。
５．本発明の木質系耐火構造部材は、荷重支持部の表面に水分遮断層とラス金網層が設けられ、その外側に石こう組成物を充填して石こう層が形成される。水分遮断層が、荷重支持部である木質材へ水分が移行することを防止するとともに、石こう組成物中の水分濃度が保持されて硬化した石こう層が均一にできる。さらに、ラス金網によって石こうの付着を確保している。このラス金網は石こう層の表面にも設けることができ、表面側のラス金網層は石こう層が熱被ばくによって、干割れして脱落することを防止することができる。本発明は、最外層に燃代層となる木材層を必要としない耐火構造部材であるので、付着や火災に直接接する被ばく対策上、ラス金網を用いることは有用である。
２．硬化開始時間３０分以上、硬化体の密度１．２ｇ／ｃｍ３以上の石こう組成は、重量比で石膏：水：遅延材（：減水材）＝１００：３０～５０：０．０１～１．０（：３～１０）が適切である。遅延材は、０．０３～０．３重量％が好ましい。特に、遅延材の添加量は０．３重量％で可使時間の確保には十分であって、それ以上添加する必要性は小さい。
この発明によれば、耐火被覆層を形成する石こう硬化体を、石膏、水、遅延材に必要に応じて減水材を追加し、調合後に攪拌することで、硬化開始時間に影響を及ぼす水分量を攪拌過程で所定量に調整することが可能となる。この発明によって、目標とする密度、硬化開始時間を適宜設定できることとなる。
柱や梁などの構造材は、３ｍ以上の長さがあって、薄い石こう層を設けることとなるので、準備時間など含めると硬化開始前のハンドリングできる時間として、製造現場として３０分以上確保することが必要となる。
３．荷重支持部の外周に数センチの充填用の隙間を設けた型枠に、石こう組成物を充填して密度１．２ｇ／ｃｍ３以上の石こう層を形成した耐火構造材を製造することができる。柱材や梁材を木質系の耐火構造部材として構築することで、木材を主要な荷重支持材として利用できる。水分遮断層を設けることにより、３０～５０％の水を含有する充填された石こう組成物からの水分が木質層に移行しないので、木質層の膨潤が防止され、石こうが水和硬化する水分量が局所的に変化して石こうの硬化及び材質のバラツキが発生することを防止することができる。
４．この発明によれば、石膏、水、及び遅延材を所定の重量比で調合し、攪拌後に充填して硬化させた石こう硬化体を形成して耐火被覆層を形成することで、必要な耐火性能を満足する密度を確保でき、かつ液状の石こうが硬化を始める時間の閾値３０分以上を確保できる。よって、耐火被覆層を石こう硬化体で形成できるために、木質の荷重支持部の横断面が矩形状や円形状であっても木質の荷重支持部と耐火被覆層とが密着された木質系の耐火構造部材が実現可能である。本発明の耐火構造材は、２時間以上の耐火性能を発揮できる。
５．本発明の木質系耐火構造部材は、荷重支持部の表面に水分遮断層とラス金網層が設けられ、その外側に石こう組成物を充填して石こう層が形成される。水分遮断層が、荷重支持部である木質材へ水分が移行することを防止するとともに、石こう組成物中の水分濃度が保持されて硬化した石こう層が均一にできる。さらに、ラス金網によって石こうの付着を確保している。このラス金網は石こう層の表面にも設けることができ、表面側のラス金網層は石こう層が熱被ばくによって、干割れして脱落することを防止することができる。本発明は、最外層に燃代層となる木材層を必要としない耐火構造部材であるので、付着や火災に直接接する被ばく対策上、ラス金網を用いることは有用である。
【図面の簡単な説明】
【0008】
【図1】耐火構造材の例を示す図
【図2】木柱表面の対角位置に関する表面最高温度を示す図
【図3】木柱表面の対辺位置に関する表面最高温度を示す図
【図4】石こうの熱伝導率を示す図
【図5】石こうの比熱を示す図
【図6】実験１の結果とチューニングした熱定数での解析結果との比較を示す図
【図7】木柱表面の温度を示す図
【図8】石こう密度（1.4g/cm3）での木柱断面温度分布を示す図
【図9】耐火構造材の実施例を示す図
【図10】実施例の耐火構造材の施工例を示す図
【図11】耐火試験 加熱温度変化を示す図
【図12】耐火試験 荷重支持部の表面温度変化を示す図
【発明を実施するための形態】
【0009】
＜発明の概略＞
本発明は、木質系の耐火構造材の製造に用いる石こう系の組成物に関する発明である。
建築分野において、石こうは板体が一般的に耐火材料として用いられている。耐火性の観点から大型建築の構造材として木材の利用は困難であったが、石こうやモルタルなどの不燃材で木材を被覆して、耐火性を向上させる方法も提案されている。
火災による構造材の崩壊防止のため、積載荷重に応じて材料の許容温度がある。木造材では２６０℃程度になる。本発明者等は、木質系荷重支持部の周囲に石こう層を設けることにより、木材の温度を２６０℃以下に抑えることができる耐火構造材（図１参照）を提案している。石膏は１００℃で熱分解を始め、結晶水を放出するので、この現象を利用して、木材の温度上昇を抑制している。
大型の建物に用いられる木製の柱や梁は、積載荷重などの強度を満足するには、太さ５０ｃｍ以上、長さ３～１０ｍ程度の角材や円柱材が必要で、その周囲に石こう被覆層を６０ｍｍ以上形成する必要がある。
本発明は、木質系の耐火構造材の製造に用いる石こう系の組成物に関する発明である。
建築分野において、石こうは板体が一般的に耐火材料として用いられている。耐火性の観点から大型建築の構造材として木材の利用は困難であったが、石こうやモルタルなどの不燃材で木材を被覆して、耐火性を向上させる方法も提案されている。
火災による構造材の崩壊防止のため、積載荷重に応じて材料の許容温度がある。木造材では２６０℃程度になる。本発明者等は、木質系荷重支持部の周囲に石こう層を設けることにより、木材の温度を２６０℃以下に抑えることができる耐火構造材（図１参照）を提案している。石膏は１００℃で熱分解を始め、結晶水を放出するので、この現象を利用して、木材の温度上昇を抑制している。
大型の建物に用いられる木製の柱や梁は、積載荷重などの強度を満足するには、太さ５０ｃｍ以上、長さ３～１０ｍ程度の角材や円柱材が必要で、その周囲に石こう被覆層を６０ｍｍ以上形成する必要がある。
【0010】
水と混ぜて攪拌した流動性のある石こうは短時間に硬化していまい、狭く長い隙間に充填する建築構造材には向いていない。水を多く添加すると硬化開始時間が長くなることは知られているが、耐火性への影響は不明であった。
本発明は、耐火性に影響する石こうの密度を明らかにし、木質系荷重支持部の外周に形成する石こう層の施工性（充填作業などに要する可使時間）を満足できる石こうの検討を行った。
検討の結果、石こう密度は１．２ｇ／ｃｍ３以上必要であり、石こうの硬化開始時間は３０分以上必要であることが判明した。
本発明では、この密度と硬化開始時間を満足する石こうの組成を提案する。
その石こうの組成は、石膏：水：遅延材が重量比において、１００：３０～５０、：０．０１～１．０である。遅延材は、好ましくは０．０３～０．３重量％である。さらに、減水材を重量比３～１０の範囲で含むことが望ましい。
この石こう組成物を混合攪拌して、型枠で覆った木質系荷重支持部の隙間に充填して、硬化させて耐火構造材を製造する。３ｍ以上の長さを有する柱や梁の表面に６０～９０ｍｍの厚さにむらなく被覆するには、長時間流動性を確保する必要がある。
本発明は、耐火性に影響する石こうの密度を明らかにし、木質系荷重支持部の外周に形成する石こう層の施工性（充填作業などに要する可使時間）を満足できる石こうの検討を行った。
検討の結果、石こう密度は１．２ｇ／ｃｍ３以上必要であり、石こうの硬化開始時間は３０分以上必要であることが判明した。
本発明では、この密度と硬化開始時間を満足する石こうの組成を提案する。
その石こうの組成は、石膏：水：遅延材が重量比において、１００：３０～５０、：０．０１～１．０である。遅延材は、好ましくは０．０３～０．３重量％である。さらに、減水材を重量比３～１０の範囲で含むことが望ましい。
この石こう組成物を混合攪拌して、型枠で覆った木質系荷重支持部の隙間に充填して、硬化させて耐火構造材を製造する。３ｍ以上の長さを有する柱や梁の表面に６０～９０ｍｍの厚さにむらなく被覆するには、長時間流動性を確保する必要がある。
【0011】
例えば、５００ｃｍ長、６０ｃｍ角、石こう層６５ｍｍの柱を想定すると、充填石こう流動物が約９００リットルとなり、準備する石こう流動物は約１ｍ３となり、３０分以内に充填するには、充填速度３０リットル／分が必要になる。柱の全面にむらなく石こうを被覆する必要があるので、調合時間及び十分な作業時間が必要となる。さらに、混合装置に付着あるいは残存した石こう組成物が硬化する前に清掃して、次回に備える必要があることを考慮すると、調合後の硬化開始時間は、さらに長い時間が必要になる。
【0012】
なお用語について次のように使用する。
「石膏」は化合物名称として、「石こう」は硬化体を示す。「石こう組成物」は、「石膏、水、遅延材、減水材」などの石こう硬化体の組成を示す。「石こう組成物」を攪拌した流動物を「石こう流動物」という。
「石膏」は化合物名称として、「石こう」は硬化体を示す。「石こう組成物」は、「石膏、水、遅延材、減水材」などの石こう硬化体の組成を示す。「石こう組成物」を攪拌した流動物を「石こう流動物」という。
【0013】
＜耐火構造材について＞
本発明の耐火構造材は、木質系の荷重支持部の周囲に石こう層を形成して、耐火性を備えた柱や梁などの構造材である。
荷重支持部は、一本の樹木でも良いが、強度等の性質をそろえることができ、大きさも自由に設計できる集成材が適している。集成材を構成する樹種は、杉、桧、松、米桧、米松など一般に利用されている樹種を利用できる。
石こう層は、建築耐火基準をクリアする層厚を設ける。現状では、検討した結果、本発明では、２時間耐火をクリアするには、約６０～８０ｍｍ程度設けることが必要であることが判明した。
本発明では、耐火構造として、石こう層の外側に燃代層を設ける必要がない。ただし、鉄筋コンクリート柱のように外装材を設けることができることは、一般建築材と同様である。
また、本発明の耐火構造材では、荷重支持部の周囲に遮水材、付着材などを設けて、その外周に石こう層を形成することによって、荷重支持部へ水分が移行することを防止し、荷重支持部への石こうの付着性を高めることができる。
本発明の耐火構造材は、木質系の荷重支持部の周囲に石こう層を形成して、耐火性を備えた柱や梁などの構造材である。
荷重支持部は、一本の樹木でも良いが、強度等の性質をそろえることができ、大きさも自由に設計できる集成材が適している。集成材を構成する樹種は、杉、桧、松、米桧、米松など一般に利用されている樹種を利用できる。
石こう層は、建築耐火基準をクリアする層厚を設ける。現状では、検討した結果、本発明では、２時間耐火をクリアするには、約６０～８０ｍｍ程度設けることが必要であることが判明した。
本発明では、耐火構造として、石こう層の外側に燃代層を設ける必要がない。ただし、鉄筋コンクリート柱のように外装材を設けることができることは、一般建築材と同様である。
また、本発明の耐火構造材では、荷重支持部の周囲に遮水材、付着材などを設けて、その外周に石こう層を形成することによって、荷重支持部へ水分が移行することを防止し、荷重支持部への石こうの付着性を高めることができる。
【0014】
＜組成要素について＞
１．石膏
石膏は、医療、建築・土木分野などで幅広く使用されている材料であって、半水石膏などの種類の石膏が使用できる。
石こうは加熱されると，結晶水の分解及び水分の蒸発による潜熱で吸熱効果が働き、約１００℃～１２０℃の範囲で温度上昇が抑制される。
１．石膏
石膏は、医療、建築・土木分野などで幅広く使用されている材料であって、半水石膏などの種類の石膏が使用できる。
石こうは加熱されると，結晶水の分解及び水分の蒸発による潜熱で吸熱効果が働き、約１００℃～１２０℃の範囲で温度上昇が抑制される。
【0015】
２．水
水は、水道水、工業用水など通常の水を使用することができる。
水は、水道水、工業用水など通常の水を使用することができる。
【0016】
３．遅延材
遅延材は、石膏の硬化遅延のために使用される。アミノ酸、クエン酸、ホウ砂などを使用することができる。
遅延材は、石膏の硬化遅延のために使用される。アミノ酸、クエン酸、ホウ砂などを使用することができる。
【0017】
４．減水材
減水材は、石こう打設時の流動性向上のために使用される。ナフタレン、スルホン酸などを使用することができる。
減水材は、石こう打設時の流動性向上のために使用される。ナフタレン、スルホン酸などを使用することができる。
【0018】
＜試験例＞
石膏、水、遅延材、減水材、遅延材を表１に示す組成に配合した石こうについて、硬化開始時間と密度を評価した。
使用した材料は次のとおりである。
石膏：半水石こうβ型 水；水道水
減水材：ナフタレン系減水材
遅延材：アミノ酸系遅延材
石膏、水、遅延材、減水材、遅延材を表１に示す組成に配合した石こうについて、硬化開始時間と密度を評価した。
使用した材料は次のとおりである。
石膏：半水石こうβ型 水；水道水
減水材：ナフタレン系減水材
遅延材：アミノ酸系遅延材
【0019】
【表1】
【0020】
（１）調合例１、２は、水の比率が５０重量％では、減水材を添加しても、硬化開始時間が２０分以内と、充填施工には硬化が早すぎて不適当である。
（２）この試験した遅延材を０．１重量％以上添加しても、硬化開始時間の延長には影響しない。
（２）この試験した遅延材を０．１重量％以上添加しても、硬化開始時間の延長には影響しない。
【0021】
＜解析確認について＞
試験結果に基づいて、さらに、密度と硬化性能について解析を行った。
木柱端の対辺位置、木柱端の対角位置での最高温度を図２、３に示す。
図２から対角温度が２６０℃以下となる石こうの密度は１．２ｇ／ｃｍ３以上、図３から対辺温度が２６０℃以下となる石こう密度は約０．９以上となる。この解析によっても、石こう密度が１．２ｇ／ｃｍ３以上必要であることが明らかとなった。
試験結果に基づいて、さらに、密度と硬化性能について解析を行った。
木柱端の対辺位置、木柱端の対角位置での最高温度を図２、３に示す。
図２から対角温度が２６０℃以下となる石こうの密度は１．２ｇ／ｃｍ３以上、図３から対辺温度が２６０℃以下となる石こう密度は約０．９以上となる。この解析によっても、石こう密度が１．２ｇ／ｃｍ３以上必要であることが明らかとなった。
【0022】
＜解析について＞
１．解析について
石こうで被覆した木柱の温度予測を熱伝導解析により実施し、石こう密度の相違が木柱表面温度に与える影響を検討する。検討方針は以下の通りとする。
（１）加熱実験を実施した石こう被覆６０mmの試験体から、石こうの熱定数を計測する。その石こう被覆６０mmの実験試験体の熱定数に基づき、解析対象の木柱の石こう厚さ６５ｍｍにおける熱定数を推定する。
（２）解析対象の木柱は、石こう被覆厚さを６５mmとし、石こうの比重（密度1.2g/cm3）を計算変数として、石こうの密度と木材表面温度との関係を検討する。
（３）石こう厚さ６５mm（密度1.33g/cm3）の実験結果（実験２）と、石こう厚さ６５mmの計算結果（密度1.2g/cm3）とを比較し、解析の妥当性を検討する。
１．解析について
石こうで被覆した木柱の温度予測を熱伝導解析により実施し、石こう密度の相違が木柱表面温度に与える影響を検討する。検討方針は以下の通りとする。
（１）加熱実験を実施した石こう被覆６０mmの試験体から、石こうの熱定数を計測する。その石こう被覆６０mmの実験試験体の熱定数に基づき、解析対象の木柱の石こう厚さ６５ｍｍにおける熱定数を推定する。
（２）解析対象の木柱は、石こう被覆厚さを６５mmとし、石こうの比重（密度1.2g/cm3）を計算変数として、石こうの密度と木材表面温度との関係を検討する。
（３）石こう厚さ６５mm（密度1.33g/cm3）の実験結果（実験２）と、石こう厚さ６５mmの計算結果（密度1.2g/cm3）とを比較し、解析の妥当性を検討する。
【0023】
２．熱伝導解析方法
２．１ 熱伝導解析に使用した熱定数
木柱のサイズを□１２０mmとし、石こう厚さを６０mmとした試験体に対して、石こうの熱定数をチューニングする。
計算で使用する木柱の熱定数は、熱伝導率を０．１０７W/mK、比熱を１．３５６kJ/kgK、密度を０．３７g/cm3とし、一定とした。また、木材の含水率を１０％とした。
計算で使用する石こうの熱伝導率を図４、比熱を図５に示す。密度は、試験体から実測した１．２２g/cm3とした。
２．１ 熱伝導解析に使用した熱定数
木柱のサイズを□１２０mmとし、石こう厚さを６０mmとした試験体に対して、石こうの熱定数をチューニングする。
計算で使用する木柱の熱定数は、熱伝導率を０．１０７W/mK、比熱を１．３５６kJ/kgK、密度を０．３７g/cm3とし、一定とした。また、木材の含水率を１０％とした。
計算で使用する石こうの熱伝導率を図４、比熱を図５に示す。密度は、試験体から実測した１．２２g/cm3とした。
【0024】
２．２ 試験結果に対する蒸発潜熱のチューニング
石こうは加熱されると、結晶水の分解及び水分の蒸発による潜熱で吸熱効果が働き、約１００℃～１２０℃の範囲で温度上昇が抑制される。
そこで、石こうの潜熱量を水の蒸発潜熱で表現し、その蒸発潜熱量を変数としてパラメトリックスタディーを実施し、実験１の木柱表面温度が概ね一致するように検討した。
想定した石こうの蒸発潜熱量を質量比で２０％とした場合の結果を図６に示す。実験結果をチューニングしたこれらの熱定数を使用し、以降の解析を実施する。
石こうは加熱されると、結晶水の分解及び水分の蒸発による潜熱で吸熱効果が働き、約１００℃～１２０℃の範囲で温度上昇が抑制される。
そこで、石こうの潜熱量を水の蒸発潜熱で表現し、その蒸発潜熱量を変数としてパラメトリックスタディーを実施し、実験１の木柱表面温度が概ね一致するように検討した。
想定した石こうの蒸発潜熱量を質量比で２０％とした場合の結果を図６に示す。実験結果をチューニングしたこれらの熱定数を使用し、以降の解析を実施する。
【0025】
３．石こうの密度による木柱温度への影響
木柱（□120mm）および石こう厚さを６５mmとし、上記の熱定数を使用して（石こうの密度以外）、石こうの密度を計算変数として熱伝導解析を実施する。なお、石っこうの厚さに基づく熱履歴の解析なので、木柱の大きさには関係しないので、１２０ｍｍ角の柱材を試験体とした。
木柱表面温度の時刻歴を図７、石こうの密度と木柱表面の最高温度との関係を図２、３に示す。また、熱伝導解析結果の一例として、石こうの密度が１．４g/cm3の断面温度分布を図８に示す。
図７に示すように、石こうの密度が大きくなるに従い、木柱表面の最高温度が低下する事が分かる。これは、主に以下の理由による。
・個体の熱伝導では熱伝導率λを比熱ｃと密度ρで除した熱拡散率（＝λ/(ρc)）が小さいほど熱を伝えにくい。よって、石こうの密度が大きい程、木材表面温度は低くなる。
・石こうでは結晶水を分解させるために熱量を必要とする。石こうの密度が大きいほどこの潜熱に大きな熱量を要するため、石こうの密度が大きい程、木材表面温度は低くなる。
木柱（□120mm）および石こう厚さを６５mmとし、上記の熱定数を使用して（石こうの密度以外）、石こうの密度を計算変数として熱伝導解析を実施する。なお、石っこうの厚さに基づく熱履歴の解析なので、木柱の大きさには関係しないので、１２０ｍｍ角の柱材を試験体とした。
木柱表面温度の時刻歴を図７、石こうの密度と木柱表面の最高温度との関係を図２、３に示す。また、熱伝導解析結果の一例として、石こうの密度が１．４g/cm3の断面温度分布を図８に示す。
図７に示すように、石こうの密度が大きくなるに従い、木柱表面の最高温度が低下する事が分かる。これは、主に以下の理由による。
・個体の熱伝導では熱伝導率λを比熱ｃと密度ρで除した熱拡散率（＝λ/(ρc)）が小さいほど熱を伝えにくい。よって、石こうの密度が大きい程、木材表面温度は低くなる。
・石こうでは結晶水を分解させるために熱量を必要とする。石こうの密度が大きいほどこの潜熱に大きな熱量を要するため、石こうの密度が大きい程、木材表面温度は低くなる。
【0026】
試験体の温度分布が示された図８によると、表面温度が８００℃あるいは１０００℃になっても、荷重支持部の木材表面は２６０℃以下となっており、荷重支持部の損傷、劣化が生じず、十分な強度を保っており、耐火性があることがわかる。
【0027】
【実施例】
【0028】
図９に、柱材である耐火構造材の横断面例を示す。（ａ）は分解図、（ｂ）は横断面を示している。
荷重を負担するスギの集成材からなる荷重支持部２と、荷重支持部２の外周面に設けられた水分遮断層３とラス金網５と、ラス金網５の外側に設けられた石こう層４と、石こう層４の表面側に設けられた第２ラス金網６と、石こう層４を貫通して一端が荷重支持部２の表面に接合し、他端が第２ラス金網６に接合する連結材７および表面塗装８から構成されている。
なお、耐火構造材である柱材の上下端は、スラブや梁に挿入されるので、石こう層は設けられない。
なお、荷重支持部に熱電対を取り付けた耐火構造材１を用いて、加熱試験を行い耐火性能を確認を行った。
荷重を負担するスギの集成材からなる荷重支持部２と、荷重支持部２の外周面に設けられた水分遮断層３とラス金網５と、ラス金網５の外側に設けられた石こう層４と、石こう層４の表面側に設けられた第２ラス金網６と、石こう層４を貫通して一端が荷重支持部２の表面に接合し、他端が第２ラス金網６に接合する連結材７および表面塗装８から構成されている。
なお、耐火構造材である柱材の上下端は、スラブや梁に挿入されるので、石こう層は設けられない。
なお、荷重支持部に熱電対を取り付けた耐火構造材１を用いて、加熱試験を行い耐火性能を確認を行った。
【0029】
なお、連結材７は、荷重支持部２の表面に直に接合する必要はなく、表面側のラス金網６を支えることができる接合強度を得ることができれば水分遮断層３を介して設けることもできる。
また、ラス金網６は付着層に、第２ラス金網は第２付着層に該当する。連結材７には乾燥した石こうが用いられ、水分遮断層３はキシラデコール コンゾランによって形成されている。
また、ラス金網６は付着層に、第２ラス金網は第２付着層に該当する。連結材７には乾燥した石こうが用いられ、水分遮断層３はキシラデコール コンゾランによって形成されている。
【0030】
本実施例の柱材の仕様は次のとおりである。
全長：３３００ｍｍ、縦横：２５０ｍｍ角、
荷重支持部；１２０ｍｍ角、（なお、本実施例では、耐火性能を確認するためのものであるので、荷重支持部の大きさは１２０ｍｍ角で十分であるとした）
耐火被覆層：石こう層厚６５ｍｍ（石こう１００重量部、水４５重量部、減水材３重量部、遅延材０．１重量部）、石こう密度１．３３ｇ／ｃｍ３
連結材：５０ｍｍ角、６５ｍｍ長、
水分遮断層：キシラデコール コンゾラン（塗布量２５０ｇ／ｍ２）、
付着層（第２付着層）：ラス金網、
表面塗装：キシラデコールインテリアファイントップコート（塗布量５００ｇ／ｍ２）
全長：３３００ｍｍ、縦横：２５０ｍｍ角、
荷重支持部；１２０ｍｍ角、（なお、本実施例では、耐火性能を確認するためのものであるので、荷重支持部の大きさは１２０ｍｍ角で十分であるとした）
耐火被覆層：石こう層厚６５ｍｍ（石こう１００重量部、水４５重量部、減水材３重量部、遅延材０．１重量部）、石こう密度１．３３ｇ／ｃｍ３
連結材：５０ｍｍ角、６５ｍｍ長、
水分遮断層：キシラデコール コンゾラン（塗布量２５０ｇ／ｍ２）、
付着層（第２付着層）：ラス金網、
表面塗装：キシラデコールインテリアファイントップコート（塗布量５００ｇ／ｍ２）
【0031】
図１０に本実施例の製造工程を示す。
第１工程：荷重支持部２を準備し、外周面にキシラデコール コンゾランを２５０ｇ／ｍ２塗布して、水分遮断層３を形成する。
なお、試験用に荷重支持部の一部に溝を切って、熱電対を設置したのちに水分遮断層を形成する。
第２工程：ラス網を荷重支持部２の表面にステープラーで取り付けて付着層を形成する。
第３工程：荷重支持部２の表面に接着剤で連結材７を取り付ける。この場合、部分的にラス金網を切除して連結材を荷重支持部に接着する。
第４工程：連結材７の外端に第２のラス金網６とその外周に型枠９を設置する。第２ラス金網は型枠９内面に連結材部分を切除して仮接着してある。連結材７は型枠用のスペーサとしても機能する。
第５工程：石こうを充填して硬化させて耐火被覆層４を形成し、型枠９を脱型する。
第６工程：脱型後の表面にキシラデコールインテリアファイントップコートを塗布量５００ｇ／ｍ２を塗布して、表面塗装８を形成して仕上げ層とする。
第１工程：荷重支持部２を準備し、外周面にキシラデコール コンゾランを２５０ｇ／ｍ２塗布して、水分遮断層３を形成する。
なお、試験用に荷重支持部の一部に溝を切って、熱電対を設置したのちに水分遮断層を形成する。
第２工程：ラス網を荷重支持部２の表面にステープラーで取り付けて付着層を形成する。
第３工程：荷重支持部２の表面に接着剤で連結材７を取り付ける。この場合、部分的にラス金網を切除して連結材を荷重支持部に接着する。
第４工程：連結材７の外端に第２のラス金網６とその外周に型枠９を設置する。第２ラス金網は型枠９内面に連結材部分を切除して仮接着してある。連結材７は型枠用のスペーサとしても機能する。
第５工程：石こうを充填して硬化させて耐火被覆層４を形成し、型枠９を脱型する。
第６工程：脱型後の表面にキシラデコールインテリアファイントップコートを塗布量５００ｇ／ｍ２を塗布して、表面塗装８を形成して仕上げ層とする。
【0032】
＜耐火試験＞
この実施例で作成した柱材を試験体として、耐火試験を行った。耐火試験は、（一般財団）建材試験センターの防耐火性能試験・評価業務方法書の規定に準じて行った。
加熱炉の加熱温度変化を図１１に示す。
加熱は、１２０分間の間に１０００℃以上に達するように加熱し、その後４８０分まで放熱した。加熱温度は実線表記、放熱中の温度は点線で表記した。
試験体の温度は、荷重支持部である木材の角部と辺央部を測定した。複数個所測定したが、同様の結果であったので、それぞれ１か所の温度変化を図１２に示す。
この実施例で作成した柱材を試験体として、耐火試験を行った。耐火試験は、（一般財団）建材試験センターの防耐火性能試験・評価業務方法書の規定に準じて行った。
加熱炉の加熱温度変化を図１１に示す。
加熱は、１２０分間の間に１０００℃以上に達するように加熱し、その後４８０分まで放熱した。加熱温度は実線表記、放熱中の温度は点線で表記した。
試験体の温度は、荷重支持部である木材の角部と辺央部を測定した。複数個所測定したが、同様の結果であったので、それぞれ１か所の温度変化を図１２に示す。
【0033】
３０分後加熱温度は８００℃以上となっているが、試験体の角部の温度は１００℃であり、さらに１２０分にかけて加熱温度は１１００℃以上に達するが、試験体の温度は１００℃を維持している。その後試験体の角部の温度は３００分で約２００℃に達して、その後緩やかに低下して１５０℃となった。
試験体の辺央部の温度は、３０分後に１００℃、１２０分でも１００℃を維持し、その後上昇して３３０分で約１７５℃に達し、その後緩やかに低下して、１５０℃となった。
特に、加熱３０分で試験体の温度が１００℃に達すると、その後しばらく１００℃であって、加熱後１２０分以上を維持していることは、石こうの断熱と石こうに含まれる結晶水が蒸発する気化熱によって、試験体の表面温度の上昇が防止されていることが確認された。
加熱後の試験体の表面には、浅いひびがみられたが、石こうは剥落しておらず、切断した切断面には、荷重支持部に達するひび割れは観察されなかった。切断面観察でも、荷重支持部は炭化していなかった。
この結果、この試験体は、十分に２時間耐火を満足することを確認することができた。
なお、石こう層を７０ｍｍとした試験体でも同様の耐火試験を行った結果、試験体の１００℃維持時間が延びることと、試験体の最高温度が角部も辺央部も１７５℃以下に抑えられることが、確認できている。
試験体の辺央部の温度は、３０分後に１００℃、１２０分でも１００℃を維持し、その後上昇して３３０分で約１７５℃に達し、その後緩やかに低下して、１５０℃となった。
特に、加熱３０分で試験体の温度が１００℃に達すると、その後しばらく１００℃であって、加熱後１２０分以上を維持していることは、石こうの断熱と石こうに含まれる結晶水が蒸発する気化熱によって、試験体の表面温度の上昇が防止されていることが確認された。
加熱後の試験体の表面には、浅いひびがみられたが、石こうは剥落しておらず、切断した切断面には、荷重支持部に達するひび割れは観察されなかった。切断面観察でも、荷重支持部は炭化していなかった。
この結果、この試験体は、十分に２時間耐火を満足することを確認することができた。
なお、石こう層を７０ｍｍとした試験体でも同様の耐火試験を行った結果、試験体の１００℃維持時間が延びることと、試験体の最高温度が角部も辺央部も１７５℃以下に抑えられることが、確認できている。
【符号の説明】
【0034】
１・・・・・・耐火構造材
２・・・・・・荷重支持部
３・・・・・・水分遮断層
４・・・・・・石こう層
４１・・・・湿式耐火被覆材
５・・・・・・付着層
６・・・・・・第２付着層（第２金網層）
７・・・・・・連結材（スペーサ）
７１・・・・・乾式耐火被覆材
８・・・・・・表面塗装
９・・・・・・型枠
２・・・・・・荷重支持部
３・・・・・・水分遮断層
４・・・・・・石こう層
４１・・・・湿式耐火被覆材
５・・・・・・付着層
６・・・・・・第２付着層（第２金網層）
７・・・・・・連結材（スペーサ）
７１・・・・・乾式耐火被覆材
８・・・・・・表面塗装
９・・・・・・型枠
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】