今村祐嗣のコラム

ABSTRACT Recently the environmentally friendly nature of timber has again been attracting considerable attention to its potential in civil engineering. The high-performance utilization of wood is assumed to be important from the view point of not only structural reliability, but also elongation of the period of carbon fixation. However, wood is occasionally degraded by biological effects of decay fungi and termites. This paper describes the outline of the characteristics of wood degradation and its prevention.

Keywords：木材、土木利用、腐朽、劣化、保存
wood, use in civil engineering, decay, degradation, preservation

1. はじめに

「土木」という言葉が示すように、かつて土木事業において最も重要な材料の一つが木材であった。しかし高度成長期、森林の荒廃や効率性重視の流れを背景に、木材からコンクリート等への転換が図られた結果、木材は今日の土木分野にとってもっとも馴染みのない材料となっている。
　その一方で、土木分野においても、木材の持つ、比強度が高い、適度な弾性がある、熱伝導率が低い等の素材としての長所、あるいは木材を利用することにより得られる、森林活性化効果、炭素貯蔵効果、省エネ効果、化石資源代替効果等、地球温暖化防止に資する効果といった効率性だけでは計れない価値が見直され、木材を土木事業に積極的に活用する動きが出てきた。また、木材の土木利用においては、大量の炭素固定効果も注目されている。
　しかし、一度他材料に置き換えられたものを従来のものに取り戻すことは容易なことではない。木材が当然にように利用されていた時代には、材料特性を十分に理解した上で、それを的確に用いる技術と使いこなす知恵とが当然のように蓄えられていた。また、施工や工事システムの中で正しく位置づけられ、それらが伝承されていく流れも備わっていた。その後、こういった技術とノウハウは、いつしか忘れ去られているのが実情ではなかろうか。
　木材の供給側である日本森林学会、木材を加工して供給する側の日本木材学会、ならびに木材の使用者側である土木学会は共に連携して、「土木における木材の利用拡大に関する横断的研究会（横断的研究会）」を2007年の秋に立ち上げ、土木分野において木材の利用拡大を阻む課題の抽出や、具体的な木材の土木利用についての解析と検討を行ってきている。
　ところで、木材の利用を土木分野で拡大していく上での一つの重要な性能は、耐久性ではなかろうか。“木は腐るから、、、、、”とはよく聞かれる言葉である。
　ここでは、木材の土木分野への利用拡大を眼目におき、木材の劣化現象と耐久性の向上について考えてみたい。

2．劣化の発生状況

ところで、世界最古の木造建築物である法隆寺の五重塔、それを1400年以上にわたって支えてきたのは、木材の驚異的な耐久性である。数百年前以上にわたり神社仏閣に使用されてきた木材を、新しく伐採された木材と比較しても、強度低下はほとんどないことは良く知られていることである1)。各種の建築材料のうち、石材やその他の無機材料を除いて、人類の歴史のなかで千年以上の耐久性を誇るのは木材が唯一であろう。
　しかし、年数がかなりたってもそこに使われている木材にはほとんど劣化がみられないことがある反面、わずか数年で取り換えねばならなくなるほど劣化が進行することもある。木材に劣化を引き起こす主要なものは腐朽やシロアリといった生物である。木材はセルロースやリグニンといった樹木がつくった生分解性の高分子化合物からできていることから、こういった生き物による劣化作用を受ける。
腐朽の発生･進行には温度と水分と酸素が必要な因子であり、このうちどれが欠けても劣化は進まない。このうち、温度条件は地域や気候、あるいは使用環境によって影響を受けるとはいえ、通常15℃以上になれば腐朽菌やシロアリの活動が活発になる。酸素条件については、土中深く、あるいは水の中で使用されてきた木の杭にみられるように、それが欠乏したところでは生物劣化は進行しない。一方、土中に使用された杭の場合でも、土中にある部分は健全であるにしても、地面に接する部分では水分、酸素の両者が供給されるため腐朽が進行する。
図-1は木材の耐朽性評価のために土中に埋設された杭の状況であるが、地際部分の劣化が一番激しい。上述のように水分、酸素の両者が供給されるためであるが、また、地面近くには腐朽菌が多く存在することもその進行を加速している。したがって、標準的な木材の野外腐朽試験では杭を土中に埋め込み、定期的に取り出して目視観察を行うが、地際部分の劣化状況によって評価されることが一般的である。

3. 劣化の概要

3.1　生物劣化
一般的に木材は、条件にかなった水分と温度が与えられると、変色菌やカビ、腐朽菌あるいは細菌類が木材の表面あるいは内部に繁殖し、汚染または劣化の原因となる。このうち、変色菌やカビは木材にわずかに含まれるデンプンやタンパク質のみを利用して生長するため、木材の実質は分解せず、強度を低下させることはほとんどない。
木材の微生物劣化で最大の被害を引き起こすのは担糸菌類による腐朽であり、セルロースやリグニンという木材実質を分解する。土に接した木材は、土中に存在する腐朽菌の菌糸や胞子との接触により、また、住宅部材のように木材と土との接触がない場合では、すでに腐朽した木材から菌糸が伸びてきて腐朽が始まったり、また、空中を飛散していた胞子が木材表面に付着し、水分が供給されると発芽して菌糸となり、内部へ伸長して腐朽が始まる。木材内部で繁殖した腐朽菌はやがて表面に子実体（“きのこ”）をつくり、胞子を生成する。
木材腐朽菌は褐色腐朽菌と白色腐朽菌に大別される。このうち褐色腐朽菌は建築物等の主要な劣化微生物であり、針葉樹材を特に劣化させ、セルロースを選択的に分解することから、質量減少が小さい段階であっても大きな強度低下を引き起こす2)。白色腐朽菌はセルロースとリグニンとを同時に分解するため強度低下に与える影響は褐色腐朽菌よりも小さいが、屋外では一般的に認められる菌類である（図-2）。軟腐朽菌は水分状態がかなり高い状態であっても活動し、表面から軟化するなど特有の劣化現象を示す。絶えず水がかかったり、高い水分状態の土中に埋まっていた木材によく見られる腐朽形態である。
木材のもう一つの主要な劣化生物はシロアリである3)。シロアリは通常、温暖で高湿度の環境を好むが、腐朽の進行と関係なく単独で木材を加害する場合と、腐朽と並行して食害を生じる場合がみられる。日本には20種くらいのシロアリの生息が報告されているが、経済的に重要な種類はイエシロアリとヤマトシロアリである。イエシロアリは地中に巣を構築し、土の中に蟻道と呼ばれるトンネルをつくって移動し、ひとつのコロニーの個体数は100万頭を越えるといわれている。世界のシロアリの仲間でも住宅などに大きな被害を及ぼしている暴れ者で、その分布は南西諸島から沖縄、九州、四国、瀬戸内地域から近畿南部、東海、関東の太平洋岸となっているが、いまや太平洋を渡りアメリカでも猛威をふるっている（図-3）。
ヤマトシロアリは木材の中に巣をつくり近くのものを食害するが、個体数はイエシロアリより少なく1コロニーあたり数千から1万頭くらいである。このシロアリは、世界でもっとも北まで分布しているグループであるが、わが国では本州以外にも北海道の旭川市でその生息が確認されたのを皮切りに、最近ではさらに北上し名寄市においても発見されている4)。イエシロアリと異なり水分に対する依存度が高く、通常は腐朽と並存することが多い。
イエシロアリとヤマトシロアリは地下生息性シロアリと称されるグループに属するもので、いずれも土の中をおもな生息場所としている。場合によっては、枯死木や住宅の壁の中に巣をつくることがあっても、土中を移動の経路にし、特に水分供給を地下に求めている。しかし、最近わが国で、アメリカカンザイシロアリという変わり者のシロアリによる被害が増えてきた。このシロアリはアメリカら渡ってきた種類で、乾いた木材中でのみ生息し、生存に必要な水分も気乾状態にある木材から求めている乾材（カンザイ）シロアリである5)。
3.2 風化
雨ざらしの場所にある木材は、彫刻刀で削ったように表面が粗くなっているのを目にすることがある。木材はその化学構造から非常によく太陽光を吸収する物質である。構成成分のうち、とくにリグニンやポリフェノール類からなる抽出成分は、紫外線を吸収しやすい構造をもつため、光分解作用を受けやすい。分解された成分の多くは水に溶けやすく、雨水により容易に木材表面から流れ出る。さらに溶出後に現れる内部の新鮮な部分も同様に光分解を受け、結果として木材表面は早材部を中心に劣化が進行する。これは風化と呼ばれる現象であり、針葉樹材の風化速度は100年で5～6mmともいわれている（図-4）。
また、公園のベンチや庭の縁台など、屋外でみられる木材はみな暗灰色化している。木材の変色は短期間で生じるが、初期の段階の変色は光酸化に伴う木材成分の化学構造の変化によるものである。濃色の材は明色化し、淡色の材は暗色化する。その後、脱リグニンによって薄い灰色に、さらにカビなどの付着による斑点状の黒色のシミが発生し、これが進行して最終的には樹種に関係なく暗灰色化する。これらのカビなど変色菌は、いわゆる腐朽菌のように木材の強度を低下させることはないが、光分解で低分子化した木材成分を好む。また、カビ類はたとえ塗装してあっても微小なピンホールなどから塗膜を通過し、その下に繁殖することもある。

4. 木材保存処理の動向

4.1木材保存剤
ボードウォーク等にはジャラ、ボンゴシ、ウリン、イペ等の海外から輸入された、いわゆる「高耐久性樹種」と称される耐朽性・耐蟻性の高い木材が使用されることが多い。確かにこういった樹種は腐りにくく、鉄木と呼ばれるウリンのように熱帯の高温多湿の環境でも50年以上わたり使用されている例もある。しかしそのほとんどが天然の森林から伐出されるものであり、蓄積量が少ないうえ再生産が難しい。一方、持続的な資源利用という視点から造林樹種の利用が大切であるが、腐れやすく虫害を受けるものが多いのが実情である。
それらに耐久性を付与するために、防腐・防蟻の効力を持つ保存薬剤による処理が行われてきている。木材内部まで薬剤を浸透させる加圧注入処理には、かってはCCAが世界的に広く用いられていた。CCA薬剤は、銅、ヒ素、クロムを成分とする水溶性の防腐・防蟻剤で、いったん木材に処理されると薬剤成分が固着し容易に溶出しないことや、腐朽やシロアリに対する広範な効き目もあって、1960年代から世界的に使用が拡大され、わが国においても製材品の加圧注入処理の主流となった。しかし、製造工場での汚染防止の課題、処理木材の廃棄、とくに焼却時における環境汚染の問題などのため、CCAはわが国においてはJIS規格からも削除され、世界的にもその使用は限定されたものになっている。
薬剤を用いる保存処理においては､ 劣化を防ぐことによる利点と健康や環境への危険性のバランスシートにのっていることはいうまでもない｡ とくに保存処理された木材が､ デッキや遊具あるいはウォーターフロントの部材など屋外の景観材料や土木資材としても用いられる場合では、長期間にわたる効力の信頼性とともに、環境や安全性への配慮がとくに求められ、”信頼性の高い”と”環境にやさしい”の両方の性能を備えた保存処理が従来にも増して模索されてきている。
現在、注入処理用の防腐・防蟻薬剤は、水溶性薬剤ではCCAに代わりヒ素やクロムを含まない防腐・防蟻剤、すなわち無機系の銅に有機系薬剤である４級アンモニウム塩やアゾール系薬剤などの有機化合物を加えたもの、防腐と防蟻の有機系薬剤の混合薬剤、あるいは油性薬剤としてはナフテン酸亜鉛やナフテン酸銅のようなものに移行してきている。また、かっては鉄道枕木に主に用いられてきたクレオソートにおいても悪臭、皮膚刺激、発癌性成分の存在が問題となり、現在では毒性の高い留分を除いた新しいタイプのクレオソートに代わってきている。こういった木材保存剤は、防腐効果とシロアリに対する防除効果の両方を備えているものであり、用途によって注入量や木材中における浸潤量が規定されている。（【改正JIS K1570「木材保存剤」、【改正】JISK1571「木材保存剤－性能基準及びその試験方法」は近々告示される予定。）

4.2ノンコンベンショナルな保存処理 6)
最近は、木粉と熱可塑性プラスチックを混合して、押し出しや射出により成型した木粉・プラスチック複合体（WPC）が、デッキやボードウォークの材料として使用されることも増えてきている。こういった材料は耐久性や強度性能の向上を謳っているが、いわゆる保存薬剤によらない処理も耐久性の向上を目的に行われることも多い。
フェノール樹脂を注入硬化した木材やLVLは、エクステリアとしての用途を想定して、耐腐朽性や耐シロアリ性をもつ耐久性材料としての展開をねらったものである。フェノール樹脂を含浸処理では、注入する樹脂の分子量を小さくすると、木材細胞の壁中に安定な形で樹脂を沈着させることができ、硬さだけでなく寸法安定性や耐腐朽・耐シロアリ性も向上する。重合前の遊離フェノールの毒性は高いが、木材中で硬化させた場合は安全な３次元構造体をつくる。したがって、木材の細胞壁の中にいかに効率よく含浸させるかがこの手法のポイントになる。樹脂の分子量が約500のところが細胞の壁の中に浸透するか､ それとも細胞の内腔面でトラップされるかの境界で､ それより大きな分子量の樹脂はいくら注入しても、寸法の安定性はもちろん耐腐朽性などには何ら効果は得られない｡したがって、接着剤に用いる樹脂ではそういった機能性を付与することはできない。
木材は環境に調和した材料であることから、よりマイルドな処理や天然物との組み合わせも保存処理の方法としてよく話題に上がる。例えば、建材にヒバ油などの樹木から採集した精油を含ませて抗菌性や抗ダニ性を与えたり、木炭の製造過程で得られる木酢液を木材に含浸して防腐・防虫性を付与する処理である。
ヒバ油の主要成分はヒノキチオール、すなわちβ－ツヤプリシンと称されるものである。この成分は揮発性のテルペンの中でも特に抗菌性が高く、ヒノキそのものには存在しないが、アスナロ、タイヒ、ネズコなどに含まれている。シロアリに対しても忌避する効果があり、ヒバ材の高い耐蟻性の原因となっている。しかし、一般的にこれらの成分は揮発性であるため持続的な効力は乏しく、定期的に再処理する必要がある。
一方、木炭をつくる時に発生する煙りを冷却、凝縮すると木酢液が得られる。主成分は酢酸に代表される酸類であるが、アルコール類、フェノール類、アルデヒドやエステルなどの中性物質など約200種類以上の化合物が含まれている。木酢液は食品加工用の燻液、土壌改良剤、植物活性剤、消臭剤、除草剤など広い用途に用いられているが、また、微生物を抑制する効果をもっている。この木酢液を製材品に含浸処理すると防腐、防かび、防虫などの性能が得られる。が、課題は水で溶け出しやすいということで、屋外で使用する際には溶出しない工夫が必要である。
天然物を利用する処理で留意しなければならないのは、得られた性能が現在の尺度での評価基準には適合しないことが多いということである。例えば、木酢液の場合では、含まれる成分の種類が多く、原料や炭化方法あるいは保存状態によってもその組成は変化しやすい。また、効果に関してもプラスにはたらくものとマイナスの効果をもつ成分が同時に含まれおり、漢方薬的なファジーさを含んでいる。
これらの処理については、古よりの丸太表面の焼き処理などと共通するものがある。焼きスギの丸太が園芸用の支柱に用いられることも多いが、炭化層は安定であるにしても、その内部は熱による分解作用を受けて、むしろ腐りやすい状態になっている。このようなものでは、性能が十分に発揮できる最適な用途と、メンテナンスを含むソフト面の裏付けがあってはじめて成り立つと思われる。

5. 薬剤の注入処理

木材を薬液中にそのまま浸けても、あるいは表面から塗布しても、薬剤の浸透は表面部分に限定される。処理液を木材内部に行き渡らせるためには、通常、缶の中での減圧・加圧注入法が用いられる。
　しかし、木材では辺材への注入性は良好であるが、心材へは液体が入りにくいのが一般的である。現在、建築部材等に使用されている樹種で通常の減圧・加圧注入処理によって、心材まで十分な薬剤浸透性が得られるのはラジアータパインとサザンイエローパインの仲間だけであるといっても過言ではない（表-1）。また、木口からの浸透に比べて側面からの薬剤の浸透性は極端に低い。このため、防腐木材においては、薬剤そのものの効力ではなく、浸透性や注入性が悪いことによって、期待される耐久性が発揮されない場面がしばしばみられる。あるいは、本来は浸透性が良好な辺材部位であっても、乾燥が不十分な状態で注入処理工程に廻したことによって、材中の水分が阻害要因となって薬剤の浸透が損なわれる場合も起こり得る事象である。
　このため、注入性を向上させる前処理技術が検討されてきた。従来から行われている刃物によるインサイジングは、材表面に傷をつけることによって人工的な微小木口面を数多くつくり、一定深さまでの浸透性を確実にしようとするもので、きわめて実用的な手法である。しかし、従来型のインサイジング方法は、比較的簡便で安価である反面、木材表面にかなり明瞭な刺傷の跡がつくだけでなく、強度低下も生じる。このため新しい刺傷方式の開発が試みられ、針や釘を用いたインサイジングや炭酸ガスレーザを利用したインサイジングも検討されており、それに適した木材表面での刺傷パターンも工夫されてきた。
ところで浸透性を改良することを目的に、従来から様々な方法が提案されてきた。これらは大別すると、生物的処理、化学的処理、物理的処理に整理できる。生物的処理は水中貯木に代表されるが、バクテリアや菌類を利用する方法、酵素処理などが該当するが、いずれも効率性の問題点だけでなく心材には効果を得ることが難しいという課題を抱えている。また、化学的な処理方法として、オゾンなどを使用して木材細胞中の沈着物質を除去する手法等が考案されているが、薬剤の安全性だけでなく木材そのものの劣化や均一な処理の困難さが実用化を阻んでいる。
　物理的方法としては、以前から蒸煮処理が浸透性の向上に有効であると指摘され単板などに適用された経緯があるが、これは沈着物質の除去などによって浸透経路が確保されることによるものであろう。また、横圧縮前処理法は、物理的な圧縮力（圧密）で木材中に浸透経路をつくろうとするもので、インサイジングが木材の表面層に人工的な木口切断面を多数つくることとすれば、この手法のねらいは木材内部に液体の通路となる微小クラックを人工的に創り出すことにあるといえる。横圧縮を負荷すると木材細胞壁の壁孔（ピット）の周辺が特異的に破壊され、木材の木口面以外の側面からの液体浸透性を促進することが可能となり、長尺の製材品であっても内部への浸透性を確保することができる。

6. 劣化診断と保守管理

木質の建築構造物や部材に腐朽や虫害などの劣化が発生しているのか、あるいはその進行がどの程度であるかを的確に知ることは､ 構造安全性を維持し、耐久信頼性を向上させる点から必要であるばかりでなく、効率的に保守を行っていくうえでも大切である。
ところで、木質部材に腐朽や虫害など生物的な因子が作用した場合、他の劣化要因と異なり、その影響は劇的に生じ、従ってあらかじめその進行速度を予測することは容易なことではない。また、部材の表面から劣化が進行するとは限らず、むしろ腐朽やシロアリの食害は内部で生じることが多く、その検出を一層困難なものにしている。
実際的に劣化をチェックする基本的なポイントは、腐れやシロアリなどの劣化要因の生理・生態をよく理解し、被害発生の防止と早期発見につとめることにある。また、劣化を起こしやすい部位に注意する必要がある。
土木など外構材料の場合、2節で述べたように、土壌に接する部分、特に地際付近が一番腐朽によって劣化しやすい。これは周囲から水分が供給されるとともに、付近に劣化を引き起こす微生物が多く存在するためである。地表に置かれた木材では、雨水による膨張と乾燥による収縮によって割れが常に発生し、ここに水が滞留する。また、日射も割れの発生を促進する。そのため、縦使いの部材より水平部材において、特にその上面で割れが発生しやすい。また、ボルトやプレートなどの金物による接合部も、腐朽劣化の発生箇所として注意しなければならない。
　以上の視診、打診、触診が一次診断とすれば、適切な治具を利用して客観的な判断を下そうというのが二次診断である。化学的な識別法、あるいは木材内部への物理的なボーリング方法（ピロデインやレジストメーター）、音響伝播を利用する手法が試みられているが、現場で安定した判断を下すにはまだ課題を抱えている。

7. おわりに

「木の文化」の国といわれながら、われわれ日本人は本当に木材をうまく使いこなしているであろうか。住宅を例にとってみても、先進国の中でも極端に短い耐用年数、新築後は一方的に下落して行く住宅価値、最近はほとんど意識の外に置かれた劣化の診断や保守・管理、など考えさせられることは多い。また一方で、住宅の耐用年数を長くすることは解体時期を延ばすことであり、すなわち建築物からの廃棄物を減少させ、炭素の放出をできるかぎり抑制することでもある。

　 こういったことは土木の用途においても同様であり、当初の十分な耐久設計はもちろんであるが、信頼性の高い木材への保存処理、補修を想定した設計行為とその実行、適切な診断と維持管理が重要な課題である。耐久性能の付与と適切なメンテナンスによって、土木利用においても木材の良さが耐久性の面からも新しい視点で見直されるように期待したい
（2010年8月　土木学会「第９回木材利用研究発表会）