屋外暴露した改質こけら葺き屋根の初期劣化要因と安定化状態の評価
1.材料施工-7 有機系材料
こけら板、劣化、屋根 準会員○ 矢野裕侑＊1 正会員 田村雅紀*2 色彩特性、紫外線 正会員 後藤治*3 正会員 山本博一*4
1. はじ めに
日本の伝統的屋根葺き構法はコストや耐久性の問題か ら年々減少傾向にありこれら保護する必要がある。その 理由として文化的価値があり観光資源として期待されて おり保全保護するニーズがあり、現在でも専門家により 保全方法について議論されている。こけら葺きを保護し ていく上で大きな問題となるのが維持費であり、葺き替 えのたびにコストが必要なため大きな負担である。そこ でこけら葺きの保護方法の一つとして挙げられる改質処 理が有効である1)～ 3)。改 質 処理を行う事により耐久性の 向上をする事が出来れば葺き替えのサイクル長期化に繋 がり結果コストの削減にもなる。本研究ではこけら葺き の初期劣化性状を調査し劣化の原因を検証し、実験項目 の色、ひび割れの観点から 2010 年～2013 年までの劣 化 低減速度を踏まえ環境要因がこけら材の劣化に影響を与 えるのかを検証する。また塗料による改質処理の効果を 検証し、改質処理により葺き替えサイクルの長期化・コ スト削減を実現する可能性を検討することを研究の目的 とする。
図 1 本研究の流れ と既存研究による 初期劣化状況
表 1 使用材料
項目 内 容
記号 A46 A88 N169 N88 M35 M80 Sk Sc 種類
秋田 人工
杉 秋田 人工杉
秋田 天然杉
秋田 天然栗
宮崎 人工杉
宮崎 人工杉
京都 さわら
秩父 さわ
ら 樹齢年 46年 88 年 169 年 88 年 35 年 80 年 --- ---- 平均厚(mm) 3.4 3.6 3.3 3.4 3.6 3.5 2.7 2.5 密度(g/㎠) 0.35 0.29 0.33 0.53 0.31 0.33 0.36 0.31 年輪数(個) 23.2 17.8 56.5 35.4 20.2 34.0 11.5 15.4
表 2 実験項目と 内容
表 3 こけら葺き 改質処理条件
No 種 類 色 回 数 効 果
研 究 1 (山 梨 )
1 高 撥 水 シ リ コ ン 系 ｸﾘｱ 2 シ ロ キ サ ン 結 合 基 を 有 す る 無 機 シ リ コ ン 溶 液 に よ る 撥 水 対 策 2 高 耐 久 ア ク リ ル シ リ コ ン 系 白 2 含 有 シ リ コ ン に よ る 結 合 エ ネ ル ギ ー 増 大 化 に よ る 紫 外 線 吸 収 防 3 無 ・ 有 機 ス テ イ ン 系 黒 ク リ ア
/黒 黒 色 化 に よ る 近 赤 外 線 吸 収 影 響 の 検 証 4 無 ・ 有 機 ス テ イ ン 系 白 ク リ ア
/白 白 色 化 に よ る 近 赤 外 線 反 射 影 響 の 憲 章
5 柿 渋 液 茶 4 柿 渋 液 塗 布 に よ る 防 腐 対 策
6 木 酢 液 茶 4 木 酢 液 塗 布 に よ る 防 腐 対 策
7 な し （ 銅 版 水 切 り ） な し 0 銅 版 水 切 り の 挿 入 に よ る 熱 伝 導 影 響 に 伴 う 蓄 熱 影 響 検 証
8 な し な し 0 研 究 1 の 基 準 試 験 体
9 フ ッ 素 樹 脂 系 遮 熱 塗 料 黒
3～ 4 近 赤 外 線 高 反 射 に よ る 遮 熱 特 性 の 改 善 ，紫 外 線 劣 化 防 止 に 伴 う 保 護 膜 耐 久 化 ，リ グ ニ ン 分 解 防 止 に よ る セ ル ロ ー ス 組 織 単 分 子 化 の 防 止 に 伴 う 防 腐 抵 抗 性 改 善 の 検 証 10 フ ッ 素 樹 脂 系 遮 熱 塗 料 茶
11 フ ッ 素 樹 脂 系 遮 熱 塗 料 肌 色 研 究 2
(八 王 子 )
12.14 な し な し 0 基 本 試 験 体 （ 12： Sk 京 都 さ わ ら 14： Sc 秩 父 さ わ ら ）
13 メ タ ル シ リ コ ン 系 含 浸 剤 白 2 難 燃 性 の 付 与 お よ び 組 織 の 緻 密 化 に 伴 う 紫 外 線 対 策 を 含 む 高 耐 久 化 の 検 証 15 特 殊 ア ク リ ル 系 補 修 剤 な し 2 ２ 液 性 特 殊 ア ク リ ル 系 固 化 材 に よ る 細 部 組 織 の 緊 結 合 化 と 表 面 層 の ア ク リ ル 保 護
膜 化 の 検 証
測 定 項 目 内 容 測 定 時 写 真
研 究 １ (山 梨 )
紫 外 線 強 度 屋 根 面 ＋ 日 射 垂 直 面 .線 強 度 測 定 色 差 測 定 紫 外 線 測 定 降 雨 量 測 定
表 面 温 度 赤 外 線 放 射 温 度 計 よ り 表 面 温 度 測 定
表 面 退 色 度 色 差 計 を 用 い 、 JIS Z8730 表 面 色 XYZ 三 刺 激 値 よ り 評 価 L*a*b*値 に よ る
内 部 温 湿 度 内 ,外 部 度 を 12 回 /24 時 間 自 動 評 価 研 究 2
(八 王 子 )
色 差 測 定 各 角 度 (0,15,30,45,60,90)色 差 計 に よ り 現 在 ま で の 変 化 紫 外 線 測 定 各 角 度 (0,15,30,45,60,90)紫 外 線 測 定 器 を 用 い UVC(mw/㎠ )量 を 測
定 す る
降 雨 量 測 定 一 週 間 ご と に 雨 量 を 測 定
1061(現行版）
a) こけら葺き材改質位置(研究1)
b) こけら葺き材写真(M35)
c) こけら葺き材設置写真
d) こけら葺き改質処理詳細図e) 暴露台写真
f)
角度ごとの模式図図 2 こけら葺き材暴露詳細図と模式図(a,b,c,山梨、d,e,f,八王子) 本研究は 2010 年から約 3 年間行っている研究であり
今年で４年目の研究である。 既存の研究から確認された 初期劣化はこけら板が施工直後から 6 ヵ月目前後に紫外 線によりリグニンが破壊され色素成分が溶脱して起きる と考えられる3)。図 1 は L 値を時間軸上でグラフ化した ものであり初期劣化を表している。 L 値の上昇は退色を 表し、下降は黒色化を表している。木材内の色素成分リ グニンが紫外線を受け破壊されると色素が溶脱しやすく なる。紫外線の吸収によりリグニンの分解それに伴う色 素の溶脱が起きることが分かった。
2 研究概要
2.1 4 年目のこけら葺き屋外暴露試験 (研究 1)
表１に本実験の使用材料、材の寸法・密度、表 3 に試 験体に施した表面塗装処理条件を示す。これは 2010 年か ら暴露している試験体であり、樹齢の異なる人工林の秋 田産杉や宮崎産杉、自然林の秋田産栗、長野産さわら等、
計７種類を 使用する。試験体の表面に塗装処理を施すこ とによりこけら葺きの葺き替えサイクルが長くなり表面 の耐久性が向上するのかを検証するとともにどの塗装処 理が効果的であるか検証する。
表 2 に実験項目と方法を示す。研究 1 は 2010 年から 暴露しており今まで 温度・変形・劣化予想などを研究し てきており、材種による温度差がある事・約半年で色落 ちしてしまう事・保護効果のある材もある事が発見され
ている1)～ 3)。初期劣化はほとんど終わっているため 今年
度は色差に注目して色差のみの測定を行う。
2.2 こけら葺き材 屋外勾配別暴露試験(研究 2) 研究 2 では重要文化財である冷泉家の材を使用してお り、これは京都さわら材の通常のこけら材よりも急速な 劣化をした原因の追求も目的としている。
表 1 に本実験の使用材料 を、表 3 に表面塗装処理条件 を示す。既存の研究で使用し ていた京都さわら・補修材 を使用し、図 2 a)に暴露台の詳細図を 、図 2 f)に模式図
を示す。試験体は既存の研究で使用された京都さわら塗 装なし、アクリルシリコンを塗布したもの、 保護塗料を 塗布したもの、秩父さわら塗装なしの 計 4 種類を使用し、
各角度(0°～90°)を暴露し八王子 の建物屋上で測定行 う。角度の変化で耐久性、色落ちの速度などに違いを検 証する。図 2d)の様に配置し、図 2 f)のように角度をつ けて暴露する。色差は色彩計を用いて 試験体の表面の色 彩を計り、 紫外線は紫外線測定機で試験体が垂直に浴び ている紫外線量を測定する。
2.3 色差測定結果
色差は L*a*b*値より算出し、L*値は明度であり材色の 明るさを表し、a*値および b*値は色度座標であり、一般 に a*値が大きいほど赤色が強く b*値が大きいほど黄色 が強くなる。このとき、色の濃さは彩度 C*値式(1)で表 され、異なる部位の材色の違いは式 (2)で求められる色差 ΔE*によって表す。
C*= ………1)
ΔE*= ………2) ここに、As:試料の値 Ar:基準の値 ΔA=As-Ar ΔL*,Δa*,Δb*は 2 つの部位の L*a*b*値の差であり JIS Z 8730 による
図 3 に研究 1、図 5 に研究 2 の測定結果を示す。
各種グラフを見ると雨・紫外線の影響による色素の溶脱、
表面塗料の剥離、カビや汚れの付着による変色に傾向が 見られる。塗料の観点から見ると アクリルシリコン系は 色を保っており、紫外線に対して も表面保 護効果がある とも言え、遅れて黒色化が始ま材・無塗装材と同じ変化 を示す材の 3 種類の変化が見られた。また角度ごとの材 の違いとして 、角度が緩やかな材ほど大きく色落ちして、
角度が急なほど色落ちが小さい事が分かる。 これは浴び る紫外線の違いによって表れる差であり紫外線量測定結 果から角度ごとの違いを検討 する。
0.0 10.0 20.0 30.0 40.0 50.0 60.0 70.0 80.0 90.0
20 09.… 20 10.2 20 10.4 20 10.6 20 10.8 20 11.5 20 11.7 20 11.1 20 11.… 20 12.4 20 12.6 20 12.8 20 12.… 20 12 .… 20 13.5 20 13 .7 20 13.9 20 13 ,…
L* 値
①クリア ②白 ③黒
④白 ⑤柿渋 ⑥木酢
⑦銅板 ⑧なし
-10.0 -5.0 0.0 5.0 10.0 15.0 20.0 25.0 30.0
20 09.12 20 10.2 20 10 .4 20 10.6 20 10.8 20 11 .5 20 11.7 20 11.1 20 11.12 20 12.4 20 12.6 20 12.8 20 12.10 20 12.12 20 13.5 20 13.7 20 13.9 20 13,11
a* 値
①クリア ②白 ③黒
④白 ⑤柿渋 ⑥木酢
⑦銅板 ⑧なし
-10.0 -5.0 0.0 5.0 10.0 15.0 20.0 25.0 30.0
2009.12 2010.2 2010.4 2010.6 2010.8 2011.5 2011.7 2011.1 2011.12 2012.4 2012.6 2012.8 2012.10 2012.12 2013.5 2013.7 2013.9 2013,11
b*値
①クリア ②白 ③黒
④白 ⑤柿渋 ⑥木酢
⑦銅板 ⑧なし
a)Mas35（宮崎杉 35）
10.0 20.0 30.0 40.0 50.0 60.0 70.0 80.0 90.0 100.0 110.0
2009.12 2010.2 2010.4 2010.6 2010.8 2010.12 2011.6 2011.9 2011.11 2012.3 2012.5 2012.7 2012.9 2012.11 2013.4
L*値
①クリア ②白 ③黒
④白 ⑤柿渋 ⑥木酢
⑦銅版 ⑧なし
-10.0 -5.0 0.0 5.0 10.0 15.0 20.0 25.0 30.0
2009.12 2010.2 2010.4 2010.6 2010.8 2010.12 2011.6 2011.9 2011.11 2012.3 2012.5 2012.7 2012.9 2012.11 2013.4
a*値
①クリア ②白 ③黒
④白 ⑤柿渋 ⑥木酢
⑦銅版 ⑧なし
-10.0 -5.0 0.0 5.0 10.0 15.0 20.0 25.0 30.0
2009.12 2010.2 2010.4 2010.6 2010.8 2010.12 2011.6 2011.9 2011.11 2012.3 2012.5 2012.7 2012.9 2012.11 2013.4
b*値
①クリア ②白 ③黒
④白 ⑤柿渋 ⑥木酢
⑦銅版 ⑧なし
b)A46（秋田杉 46）
10.0 20.0 30.0 40.0 50.0 60.0 70.0 80.0 90.0 100.0 110.0
2009.… 2010.2 2010.4 2010.6 2010.8 2010.… 2011.6 2011.9 2011.… 2012.3 2012.5 2012.7 2012.9 2012.… 2013.4
L*値
①クリア ②白 ③黒
④白 ⑤柿渋 ⑥木酢
⑦銅版 ⑧なし
-10.0 -5.0 0.0 5.0 10.0 15.0 20.0 25.0 30.0
2009.12 2010.2 2010.4 2010.6 2010.8 2010.12 2011.6 2011.9 2011.11 2012.3 2012.5 2012.7 2012.9 2012.11 2013.4
a*値
①クリア ②白 ③黒
④白 ⑤柿渋 ⑥木酢
⑦銅版 ⑧なし
-10.0 -5.0 0.0 5.0 10.0 15.0 20.0 25.0 30.0
2009.12 2010.2 2010.4 2010.6 2010.8 2010.12 2011.6 2011.9 2011.11 2012.3 2012.5 2012.7 2012.9 2012.11 2013.4
b*値
①クリア ②白 ③黒
④白 ⑤柿渋 ⑥木酢
⑦銅版 ⑧なし
c)N80（秋田栗 80）
10.0 20.0 30.0 40.0 50.0 60.0 70.0 80.0 90.0
20 10. 6 20 10. 8 20 10 .12 20 11. 7 20 11. 9 20 11 .12 20 12. 5 20 12. 7 20 12 .10 20 12.11 20 13. 4
L*
値黒 茶
肌 なし
-10.0 -5.0 0.0 5.0 10.0 15.0 20.0 25.0 30.0
a*
値黒 茶
肌 なし
-10.0 -5.0 0.0 5.0 10.0 15.0 20.0 25.0 30.0
2010.6 2010.7 2010.8 2010.9 2010.12 2011.5 2011.7 2011.8 2011.9 2011.10 2011.12 2012.3 2012.5 2012.6 2012.7 2012.8 2012.10 2012.10 2012.11 2012.12 2013.4
b*値
黒 茶 肌 なし
d)Sc(京都さわら:遮熱塗料)
図 3 改質処理ごとの時間変化に対応する色彩値の特性 2.4 紫 外 線 測 定 結 果
図 4 に は 紫 外 線 量 差 の 激 し か っ た 月 の 紫 外 線 量 を 挙 げ て 比 較 し 、図 5 の L* 値 (明 度 )の グ ラ フ と 照 ら し 合 わ せ 紫 外 線 量 と 色 差 の 値 が 比 例 し て い る こ と を 示 し た 。 今 回 は カ ビ の 出 来 る 原 因 の 三 大 要 素 内 の 含 水 量 に 着 目 し 角 度 ご と の 紫 外 線 量 と 色 差 の 観 点 か ら 違 い を 確 認 し た 。 既 存 の 研 究 か ら 紫 外 線 量 が 最 も 多 い の は 8 月 、 少 な い の は 10 月 と い う 事 が 確 認 さ れ て お り 図 4 か ら 角 度 が 急 で あ る と 紫 外 線 を 多 く 浴 び な い 。 そ の た め リ グ ニ ン 分 解 が 15° ～ 3 0° の も の よ り 少 な い 結 果 が グ ラ フ に 出 て い る 。 図 6 の Δ E、 Cab の グ ラ フ ・ 図 7 か ら は 15°～ 30° の 材 が 最 も 色 味 が 増 加 ・ 黒 色 化 し て い る 事 ・ ほ と ん ど の 材 が 色 落 ち し て き て 値 が 0 に 近 づ い て い る 事 な ど が 確 認 で き る 。
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9
0° 15° 30° 45° 60° 90°
紫外線量(KJ)
角度
2013年8月 2013年10月
図 4 角 度 ご と の 紫 外 線 量 (研 究 2:八 王 子 屋 外 暴 露 場 )
45 50 55 60 65 70 75 80
20 13 .6.14 20 13 .7.5 20 13 .7. 18 20 13 .8.2 20 13 .8.9 20 13 .8. 21 20 13 .8.29 20 13 .9.13 20 13 .9.21 20 13 .9.27 20 13 .10 .8 20 13 .10 .1 4 20 13 .11 .6 20 13 .11 .1 4 20 13 .11 .2 8 20 13 .12 .7
L*
値月(時間)
0° 15° 30°
45° 60° 90°
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18
2 0 1 3 .6.14 20 13 .7.5 2 0 1 3 .7.1 8 20 13 .8.2 20 13 .8.9 2 0 1 3 .8.2 1 2 0 1 3 .8.2 9 2 0 1 3 .9.1 3 2 0 1 3 .9.2 1 2 0 1 3 .9.2 7 2 0 1 3 .10. 8 20 13 .10 .1 4 2 0 1 3 .11. 6 20 13 .11 .1 4 20 13 .11 .2 8 2 0 1 3 .12. 7
a*値
月(時間)
0° 15° 30°
45° 60° 90°
0 5 10 15 20 25 30 35
20 13 .6.14 20 13 .7.5 20 13 .7.18 20 13 .8.2 20 13 .8.9 20 13 .8.21 20 13 .8.29 20 13 .9.13 20 13 .9. 21 20 13 .9. 27 20 13 .10 .8 2 0 1 3 .10 .1 4 20 13 .11 .6 2 0 1 3 .11 .1 4 2 0 1 3 .11 .2 8 20 13 .12 .7
b*
値月(時間)
0° 15°
30° 45°
60° 90°
a) Sk( 京 都 さ わ ら 塗 装 な し )
45 50 55 60 65 70 75 80
2013.6.14 2013.7.5 2013.7.18 2013.7.26 2013.8.2 2013.8.9 2013.8.21 2013.8.29 2013.9.13 2013.9.21 2013.9.27 2013.10.8 2013.10.14 2013.11.6 2013.11.14 2013.11.28 2013.12.7
L*値
月(時間)
0℃ 15℃
30℃ 45℃
60℃ 90℃
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18
2013.6.14 2013.7.5 2013.7.18 2013.7.26 2013.8.2 2013.8.9 2013.8.21 2013.8.29 2013.9.13 2013.9.21 2013.9.27 2013.10.8 2013.10.14 2013.11.6 2013.11.14 2013.11.28 2013.12.7
a*値
月(時間)
0℃ 15℃
30℃ 45℃
60℃ 90℃
0 5 10 15 20 25 30 35
2013.6.14 2013.7.5 2013.7.18 2013.7.26 2013.8.2 2013.8.9 2013.8.21 2013.8.29 2013.9.13 2013.9.21 2013.9.27 2013.10.8 2013.10.14 2013.11.6 2013.11.14 2013.11.28 2013.12.7
b*値
月(時間)
0℃ 15℃ 30℃
45℃ 60℃ 90℃
b) Sk( 京 都 さ わ ら メ タ ル シ リ コ ン ) 図 5 角 度 別 色 彩 変 化 の グ ラ フ
0 5 10 15 20 25
2013/6/14 2013/7/5 2013/7/18 2013/8/2 2013/8/9 2013/8/21 2013/8/29 2013//9/13 2013/9/21 2013/9/27 2013/10/8 2013/10/14 2013/11/6 2013/11/14 2013/11/28 2013/12/7
⊿E
0° 15°
30° 45°
60° 90°
0%
20%
40%
60%
80%
100%
120%
140%
2013/6/14 2013/7/5 2013/7/18 2013/8/2 2013/8/9 2013/8/21 2013/8/29 2013//9/13 2013/9/21 2013/9/27 2013/10/8 2013/10/14 2013/11/6 2013/11/14 2013/11/28 2013/12/7
C*
0° 15°
30° 45°
60° 90°
a)ΔE b)C*
図 6 角度ごとのΔE(色差)と C*(ab クロマ)
y = -0.22x(0°) y = -0.78x(15°) y = -0.78x (30°)
y = -0.45x(45°) y = -0.36x(60°)
y = -0.14x(90°)
45 47 49 51 53 55 57 59 61 63 65
0 5 10 15 20
L*値
日数(×10) 0°
15°
30°
45°
60°
90°
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2
0° 15° 30° 45° 60° 90°
明度値低下速度
角度
傾き(y)
a) L*値と日数(×10)の関係 b) 劣化低減速度 図 7 角度ごとの傾きと紫外線量 (研究 2)
それぞれの角度・月ごとに平均を取って紫外線量 のグ ラフの紫外線量の値 としている。紫外線の強さに関する 定義として、紫外線の強さは、太陽の高度・雲など大気 の状況・反射など周辺の状況などで変わる 。天候や時間 帯などに左右されてしまい紫外線量に 大きく違いが出る と示してあ るため、大きく値が違う部分は測定した時間 帯の紫外線量の 違いと考え、天候の違いで ないとし、こ れを踏まえた上での紫外線量の結果のグラフとする。
結果として角度ごとに大きな違いが出た。
3.まとめ
1)研究 1,2 通して、アクリルシリコン系塗料は材に関わ らず保護効果があり 、フッ素系遮熱塗料は材に関わら ず表面保護 効果がある事が確認出来た 。
2)a*b*値による色相は保護効果が失われた材は 4 年経過 した今では 値が０に近い無彩色になっている。
3)研究 2 冷泉家こけら材の屋外暴露試験では屋根勾配が 急な場合、紫外線量が下がり色落ちも 低下し、緩やか な場合紫外線量が多くなり色落ちが増加する。
参考 文献
1)清永 ，田村 ,山本 ，後藤 :伝統的木造 建築に用いら れるこけら 材の高 度維持・保存 技法に関 する研 究，日本建築 仕上学会 学術発 表論,pp.123-126,日本建築仕 上学会 ,2009年 2)森田 ，田村 ，後藤，清 永：屋外暴露 した改質こけ ら葺き屋根
の物理 的変状の評 ,pp.33-36，2011年度研究 発表会研究報告 集，日 本建築学会関 東支部,2012年
3)直井 ，田村，後藤 ，山本:屋外暴露 した改質こけ ら葺き材の 初期劣 化性状の評価 ，2012年度日本 建築学会関東 支部研究 報告集 １,pp.207-220,日本建築学会 関東支部 ,2013年 4)JISハンド ブック,色彩,JIS Z 8730,2005年
謝辞
本 研 究 に 際 し 有 限 会 社 熊 谷 産 業 ， 伝 匠 舎 石 川 工 務 所 ， に 多 く の協力 を頂いた。本 研究は、 工学院 大学後藤研、
東京大 学山本研との 共同研究であり、平 成 25 年 度科研費基盤 A
（代表 ；山本博一東 京大学教授 ）、工学院 大学 UDM・研究 、H25 年度科 研費(A:23680681 田村雅紀 )による 。
