建築材料科学 野口貴文 １．建築材料の各種性質 雨 柱 台風 建築物 地震 微細構造 材料科学 １．建築材料の各種性質 建築物の性能 構造安全性 火災安全性 日常安全性 水密性・気密性 温熱・乾湿特性 空気清浄性 音特性 視覚性 触覚性 動的特性 衛生性 空間適合性 耐久性 経済性 １．建築材料の各種性質 性能に関連する外力・作用 機械的作用 電磁気的作用 熱作用 化学的作用 生物的作用 １．建築材料の各種性質 構造安全性に対応する建築材料の性質 圧縮強度 引張強度 せん断強度 衝撃強度 疲労強度 破壊エネルギー 弾性係数 クリープ係数 密度 １．建築材料の各種性質 火災安全性に対応する建築材料の性質 比熱 熱伝導率 引火温度 発火温度 融点 転移点 １．建築材料の各種性質 耐久性に対応する建築材料の性質 酸化反応速度 自然電位 分極抵抗 炭酸化反応速度 溶出・溶脱性 凍結融解抵抗性 紫外線劣化抵抗性 オゾン劣化抵抗性 １．建築材料の各種性質 機械的作用 重力 強制変形、拘束力 凍結圧、熱膨張・吸水膨張、地盤沈下、収縮、クリープ変形 熱力学的作用 積雪荷重、地圧・水圧、積載荷重 風、砂嵐、地震、摩耗 振動・騒音 風・爆発・交通による騒音、交通振動、電気器具の騒音 １．建築材料の各種性質 電磁気的作用 放射線 電気 稲妻、迷走電流、静電気 磁気 太陽光線、放射線 磁場 熱作用 熱、霜、地熱、潜熱、たばこ １．建築材料の各種性質 化学的作用 水・溶媒 酸化剤 石灰、水酸化ナトリウム、セメント 塩 炭酸、硫酸、酢、クエン酸 塩基 硫化物、アンモニア 酸 酸素、オゾン、窒素酸化物、殺菌剤、漂白剤 還元剤 湿度、水滴、降水、地下水、洗剤、アルコール、廃水、漏水 硝酸塩、リン酸塩、塩化物、硫酸塩、 中性物質 塵・埃、石灰岩、油脂、インク １．建築材料の各種性質 生物的作用 野菜・微生物 バクテリア、種、かび、菌、根、植物 動物 昆虫、鳥、シロアリ、虫、家畜 ２．建築材料の構造・組織 結合 一次結合 イオン結合 正に荷電した原子と負に荷電した原子とのCoulomb引力による結 合 水溶液中でイオンに解離 共有結合 ２個の原子が最外殻の電子を共有する結合 関与する電子数が多いほど強い 非電解質 金属結合 金属格子（陽イオンの規則正しく配列した格子）の隙間の振動する 自由電子を介したCoulomb引力による結合 自由電子の影響により、熱伝導度・電気伝導度が大きく塑性変形を 示す イオン結合 共有結合 金属結合 ２．建築材料の構造・組織 結合 二次結合 van der Waals力（分子間に作用する結合力）を介した結合 分子分極（水素結合はその一種） 一分子内の正電荷の中心と負電荷の中心が不一致（双極子）であ るため、正負の引力により結合 分散効果 対称な分子および不活性ガス原子内に生じる電子の偏在による瞬 間的な分極によって生じる弱い引力による結合 不活性ガスの低温凝縮、有機化合物の分子間結合、活性炭の吸着 分子分極 ２．建築材料の構造・組織 結合 結合の種類 結合力 二次結合 結合エネルギー（kcal/mol） NaCl KCl NaF Lil 184.6 168.6 217.5 178.1 共有結合 H2 HF ダイヤモンド 水晶 114.6 135.6 170 406 金属結合 Na Au Fe W 25.9 68.0 94 120 van der Waals結合 He Ne H2 O2 0.052 0.52 2.44 1.74 イオン結合 一次結合 物質 ２．建築材料の構造・組織 結合 結合と性質 性質 金属結合 van der Waals結合 イオン結合 共有結合 機械的 強固、硬度大 強固、硬度大 一様でない 弱い、軟質 熱的 高融点、低膨 張性 高融点、低膨 張性 溶融点種々、 高熱伝導性 低融点、高膨 張性 電気的 概して非伝導 性 非伝導性 良伝導性 非伝導性 光学的 種々 高屈折率 不透明 透明 構造的 高配位、密度 中間 低配位、低密 度 非常に高配 位、高密度 金属に類似 配位：一個の原子をとり囲んで、複数個の原子・分子・イオンが配列すること ２．建築材料の構造・組織 結合 原子間距離と作用力 ２原子間の距離：r 引力：F1、斥力：F2、合力：F=F1+F2 F=0のとき 原子間の安定な平衡距離：ｒ=d0 原子間ポテンシャルエネルギー最小 ２．建築材料の構造・組織 物質の構造 結晶構造 原子または原子団が規則正しく周期的な型に配列 等軸晶系 ３軸が相互に直交、軸の長さが等しい 正方晶系 互いに直交する軸のうち２軸の長さが等しく１軸の長さが異なる 三方晶系 ３軸の長さが等しく、２軸が直交し、他の１軸が斜交 斜方晶系 互いに直交する３軸の長さが全て異なる 単斜晶系 ３軸の長さが全て異なり、２軸が直交し、他の１軸が斜交 三斜晶系 ３軸の長さが全て異なり、３軸とも互いに斜交 六斜晶系 等しい長さの３軸が１面中で互いに60°で交差し、長さの異なる１軸がこれに直交 結晶系 ２．建築材料の構造・組織 物質の構造 無定形構造（非結晶質） 明確な結晶構造をとらない アスファルト、タール、プラスティック、ガラス ２．構造・組織 材料の構成 溶体 液溶体 ２種類以上の原子あるいは分子が溶け合った状態 原子あるいは分子の均一混合物で、化合物ではない 溶媒物質が液体で、溶質が溶け込む場合 固溶体（合金、セラミック） 溶媒物質が固体で、溶質が溶け込む場合 置換型固溶体 Ａ物質の結晶格子中の原子をＢ物質の原子で置換 Ａ原子の大きさ≒Ｂ原子の大きさ 侵入型固溶体 Ａ物質の結晶格子の隙間にＢ物質の原子が侵入 Ｂ原子の大きさ≪Ａ原子の大きさ 炭素・窒素の原子を金属表面から侵入→表面硬化 固溶体 ２．構造・組織 金属 結晶構造 体心立方構造 常温の鉄、クロム、タングステン 面心立方構造 常温のニッケル、アルミニウム、銅、鉛、銀、金、910～1400℃の 鉄 稠密立方構造 常温のチタン、マグネシウム、亜鉛 ダイヤモンド構造 ダイヤモンド、シリコン、ゲルマニウムなどの半金属 体心立方構造 面心立方構造 稠密六方構造 ダイヤモンド構造 ２．構造・組織 金属 合金の構造 固溶体 置換型固溶体 母相金属と添加金属の結晶構造が等しく、原子半径がほぼ等 しい 原子半径の差が大きくなるほど固溶度は小さい 銅とニッケル、銅と金 侵入型固溶体 固溶度は自ずから限界あり 常温の鉄に対する炭素の最大固溶度：約0.02% 固溶体 固溶金属原子の大きさと最大固溶度 ２．構造・組織 金属 合金の性質 母相金属の性質と合金の組成で決まる 寸法の異なる原子が共存 →格子にひずみが生じる →変形を相互に拘束し合う →結晶粒間の破壊を生じやすい →硬くもろくなる →自由電子の運動が制限される →延展性が小さく硬くなる →電気伝導率が小さくなる ２．構造・組織 無機物 地殻構成成分 火成岩の平均化学成分 SiO2 Al2O3 CaO Na2O FeO MgO K2O Fe2O3 H2 O TiO2 P2O5 CO2 59.12 15.34 5.08 3.84 3.80 3.49 3.13 3.08 1.15 1.05 0.299 0.102 火成岩の主要元素の平均値 順位 1 2 3 4 5 6 7 元素 O Si Al Fe Ca Na K 含有量 46.59% 27.72 8.13 5.01 3.63 2.85 2.60 順位 8 9 10 11 12 13 14 元素 Mg Ti P H Mn S Ba 含有量 2.09 0.63 0.13 0.13 0.10 0.052 0.050 順位 15 16 17 18 19 20 元素 Cl Cr C F Zr Ni 含有量 0.048 0.037 0.032 0.030 0.026 0.020 ２．構造・組織 無機物 構造 ダイヤモンド構造 結合力は強固で極めて硬く、空気中で加熱しても710～900℃まで 耐える けい酸塩構造 SiとOの結合：共有結合とイオン結合の交互 鎖状構造 SiO4四面体が１個の酸素を共有しながら鎖状に連なる 石綿繊維 鎖の結合よりも繊維間の結合力小→解繊が容易 SiO4の四面体 SiO4の結合 ２．構造・組織 無機物 構造 層状構造 SiO4を主骨組として平板状に広がり、かつ層をなす 層間の結合はvan der Waals結合のため弱く、劈開を生じやすい Mg(OH)2、Al2(OH)3 網状構造 SiO4構造が３次元的に結合 比較的硬い 網状構造の破壊：Si-O結合の切断 ガラス構造 規則性あり 多様なパターン 結合：共有結合、イオン結合 珪酸塩の網状構造（高温の場合） 珪酸塩の板状構造 ガラス構造 ２．構造・組織 無機物 性質 自由電子の数が少ないため、電気伝導性・熱伝導性が小さい 結合力が大きいため硬く、圧縮強度は大きい 変形能が小さいため、引張応力が作用したとき、欠陥部分に応 力集中が生じるため、引張強度は小さい 全般に融点が高く、耐熱性、耐候性、耐薬品性が大きい ２．構造・組織 有機物 単量体 飽和炭化水素（CnH2n+2） 炭素数nの増加 直線上に連なる長い分子 原子間の拘束大→高融点 原子間の結合は共有結合 分子間の結合はvan der Waals力 不飽和炭化水素（CnH2n-1） 炭素と炭素の間に、二重結合・三重結合 二重結合が一つ＝オレフィン類 エチレン型分子（ CnH4-XYx） エチレンのHをCl、F、OH、CNなどで置換 多くの樹脂の出発分子 ２．構造・組織 有機物 重合体 付加重合体 単量体の二重結合の一つを開裂させて、次々と付加的に鎖状の高 分子を作ったもの エチレン型分子は全て付加重合体を生成可能 反応開始剤：付加重合を開始・終了するため端に結合する原子団 耐水性を高めるためには、疎水性の反応開始剤 縮合重合体 ２種類以上の有機化合物が水などの小さな分子の離脱を伴って化 学反応して作られた高分子 フェノール＋ホルムアルデヒド→フェノール樹脂 共重合体 ２種類以上の単量体が一定の繰返しによって結合された重合物 結晶における固溶体に相当 ２．構造・組織 有機物 構造 高分子物質の大きさ 分子の重合度で表す 重合度 １個の分子を構成する単量体の数 高分子の分子量／単量体の分子量 重合程度の進行：ガス状→低粘度の液状→高粘度の液状→ 軟らかい固体→強固な固体 分子量大→引張強度大 ２．構造・組織 有機物 構造 マクロ構造 線状構造（鎖状構造） 線状分子相互間のずれを生じやすい →自由度が高い、可撓性に富む、繊維を作りやすい ビニル樹脂、ナイロン 網状構造 分子の自由度が小さい 強度は大きいが硬くもろい メラミン樹脂、尿素樹脂、ポリエステル樹脂、エポキシ樹脂 結晶構造 ガラス状構造の内部に結晶化している部分を含む ポリエチレンは結晶性良 結晶部分の分子は規則的な配列 線状構造 フェノール樹脂の網状構造 ２．構造・組織 材料の組織 構造・組織 ミクロ組織 主要構成物質 結晶組織 集合組織 金属・無機・有機物質 非結晶組織 集合組織 金属・有機物質 稠密組織 単一組織 マクロ組織 複合組織 集合組織 金属・有機物質 繊維組織 金属・有機物質（鎖状高分 子） 線維集合組織 無機・有機線維の集合体 （＋空気） 多孔組織 無機・有機物質＋空気 複合集合組織 無機・有機物の複合集合体 積層組織 ２種以上の材料積層 ２．構造・組織 材料の組織 単一組織 稠密組織 外見上も構造上も稠密な組織 繊維組織 繊維の分類 無機繊維、有機繊維 天然繊維、人工繊維 引張強度 同一物質からなる棒状供試体の数倍から数十倍 直径が小さい→配向性が高くなる→高引張強度 高温→低強度、低温→高強度・脆性化 ２．構造・組織 伸び・たわみ性 植物繊維：細胞組織→たわみ大 人工繊維：断面緻密→たわみ小 弾性係数 有機繊維＜無機繊維 吸湿性 動植物繊維：吸湿率大 人工繊維：断面が緻密、円形、周長／断面積が小→吸湿率小 ２．構造・組織 材料の組織 複合組織 繊維集合組織 繊維相互が自由か、緩く結合された状態で存在 組織の中にかなりの量の空隙 耐熱性・耐火性 有機繊維：熱分解・炭化、有毒ガス発生 セラミック繊維：不燃材料 金属繊維：不燃性、耐火性なし 熱伝導率 乾燥状態において大きな熱伝導抵抗 吸音性 良好 ２．構造・組織 材料の組織 複合組織 多孔組織 無機・有機物質中に独立または連続した気孔が均等に含まれる 気孔の種類 連続気孔：気孔が連続、火山砂利 独立気孔：隔壁が密で各気孔が独立、発泡ガラス 不完全独立気孔：気孔が独立、隔壁が粗、透気性・透水性あり、 ALC 独立気泡塊の集合：多数の気孔が塊的に集合、ポリスチレン フォーム 性質 同一質量で大きな見掛け容積 密度が小さい→熱伝導率・熱容量が小さい 透気性・透水性・吸水性が大きい 独立気孔で隔壁が不透気性構造の場合、透気性・透水性極小 気孔の種類 ２．構造・組織 材料の組織 複合組織 複合集合組織 構成：骨材、結合材 必要に応じて繊維などによる補強 原料調合を調整して強度・比重などの性質を調整 無機骨材＋無機結合材：強度・耐久性が大きい 有機骨材・繊維＋少量の有機結合材：強度・耐久性が小さい 結合材の結合力大→強度大 無機骨材の場合の耐水性：結合材の耐水性で決まる 複合集合組織 ２．構造・組織 材料の組織 複合組織 積層組織 種類 同種材料を積層（合板、集成材） 異種材料を積層（石こうボード、アスファルト防水層） 特殊な心材と表面材を一体結合した軽量サンドイッチ構造 埋込み積層（FRP、鉄筋コンクリート） 性質 軽量で曲げ剛性大 大型材・曲面材の製造可 熱伝導率の小さい心材→高断熱性 耐食性・耐摩耗性・耐火性：表面材の性質に依存 耐水性・耐熱性：接着剤の性質に依存 積層構造
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