発泡廃ガ ラス材 の緑化基盤材料への 適用性 に関す る実験的研究

長崎大学工学部研究報告 第32巻 第59号 平成14年7月 125

発泡廃ガ ラス材 の緑化基盤材料への 適用性 に関す る実験的研究

山中 稔* ･高木 謹**

松本健一郎***･後藤憲之輔****

ExperimentalStudyonApplicabilityofExpandedWasteGlass MaterialtoPlantingBasis

by

MinoruYAMANAKA*,SusumuTAKAGI**

KenichiroMATSUMOTO*** andKeinosukeGOTOH****

Thepurposeofthisstudyistodevelopthenew roofreplantlngmaterial mi xedtheexpandedwasteglassmaterial intousual roofreplantlngmaterials.Ithasthehigh waterreceptlVlty,becausetheexpandedwasteglassmaterial ispo‑

rous.ThispapertriedtoassessactlVltyOfvegetationplantedinthenew roofreplantlngmaterial byuslngthethem al infraredimaglngequipmentandthespectrometerasremotesenslngtechniques.

1. は じめに

ヒー トアイラン ド現象緩和や地球温暖化防止 として, 都市建築物 の屋上緑化が注 目されている.都市地域特 有 の気象現象であ るヒー トアイラン ド現象の主 な要因 は,一般的 に, コンクリー ト, アス ファル ト面等 の増 加及 び農地,樹林等 の減少 とい う土地被覆の改変 にあ る■)と言 われてい る. コ ンク リー ト, アス フ ァル トに 代表 される市街地構造物 は熱容量が大 き く, 日中の 日 射熱 によって蓄熟 され,夜 間になって も高温 を保 って お り,一方,樹林,草地等の緑地は蒸散作用 などによっ て周囲か ら気化熱 を吸収 し気温 を低減 させ ,熱容量 も 小 さいため 日中は暖 ま りに くく,夜 間になって も低温

を保 っているか らである2).

さらに,屋上緑化 は,建築物 その ものに対す る効果, 利用者 (人間) に対す る効果,周辺環境 に対す る効果, 建築物 の上層 階の温度 を低減す る効果等がある と言 わ れてい る.

一方,循環型社会形成推進基本法の制定 に もみ られ

る ように, リサ イクルの重要性が叫 ばれ, ガラス ビン の リサ イクル技術 の開発が必要 となっている.

本研究で用 いる発泡廃 ガラス材 は,廃 ガラス ビンを 粉砕 して添加剤 を混合後,焼成炉で過熱す ることによ り得 られた多孔 質材料 であ り,軽量性 に優れ, また多 孔質性 によ り高い保水性が期待 され る材料 であること か ら,屋上緑化基盤材への適用が期待 される.発泡廃 ガラス材 は これ まで建設資材へ の適用研 究3)や屋上緑 化基盤材 の下部 に敷設す る適用例4)はあ るが ,本研 究 で提案す る緑化基盤材へ混合 しての利用 は,著者 らの 研究5)･6)があるのみである.

本研 究では,従来の屋上緑化材料 に発泡廃 ガラス材 を混入す ることによ り,新 しい屋上緑化材料 を開発す ることを目的 としている.今 回は,地上 リモー トセ ン シ ング装置である熟赤外線映像装置お よび分光反射計 によ り,植物の生育度 (活性度) を測定す ることを試 みた ものである.

平成14年4月19日受理

*社会 開発工学科 (DepartmentofCivilEngineering)

**東亜建設技術㈱ (元 ･社会開発工学科学生)

***西 日本エ ンジニア リング(秩)(NishinihonEngineeringCo.,Ltd.)

****大学院生産科学研究科 (GraduateSchoolofScienceandTechnology)

126 山中 稔 ･高木

2.用 いた廃棄物試料 2.1 発泡廃 ガラス材

発泡廃 ガラス材 の製造工程 として, まず各 自治体 か ら集 め られた原料 のガラスぴん を分別作業 をす ること な く, あ る程度 の大 きさに粒状化 し,250ミクロ ン程 度 に粉砕 ･粒度選別 した後 ,添加材 を混合 し,約900

℃での高温で焼成 ･発泡 させ ることで ,発泡廃 ガラス 材が製造 される.

写真‑ 1には発 泡廃 ガラス材 の外観 を,写真‑ 2に は電子顕微鏡写真 を示 している.いずれの写真か らも, 無数の小孔 を有す る多孔質体 であることが分 かる. な お,製造過程 で調整す ることで,発泡廃 ガラス材 を連 続 間隙構造 とした り,単独 間隙構造 とす ることが可能

となっている.

表‑ 1に,用 いた発泡廃 ガラス材 の一般 的性 質 を示 す.発泡廃 ガラス材 の熱伝導率 は,乾燥 した木材 にお ける値0.14‑0.18W/m･Kと同程度であることか ら,緑 化材料 に混入 し屋上 に敷設 した場合,屋上下部 の階の 減熱化が期待 で きる材料 である.その他発泡廃 ガラス

謹 ･松本健一郎 ･後藤恵之輔

秦‑ 1 発泡廃 ガラス材 の一般 的性質

特性項 目 特性値

絶乾比重 0.3‑0.6

吸水率 30%以上

孔径 10/∠m〜 2m

写真‑ 1 発泡廃 ガラス材 の外観

写真‑ 2 発泡廃 ガラス材 の電子顕微鏡写真

材 の特徴 をまとめる と,以下の ようになる.

･約900℃で焼成す るため,有害物質の溶 出が な く, 地盤 ･地下水等へ の悪影響が ない.

･多孔質 間隙構造 を有 し,軽量 である.

･連続 間隙構造 は吸水性 ･保水性 ･保肥性 に優 れて いる.

･アルカリ性であるため,酸性土の中和剤 となりうる.

2.2溶融 スラグ

ー方,溶融 ス ラグ とは,焼却灰等 の廃棄物 を燃焼熱 や電気 か ら得 られ た熱 エ ネルギ ー等 に よ り超 高 温下 (1200℃以上) で加熱,燃焼 させ ,無機物 を溶融 した 後 に冷却 したガラス質の固化物である.

溶融 ス ラグの一般的特徴 を,以下 に示す.

･透水性 お よび通気性 に優れているため,覆土 に使 用 した場合,廃棄物層 の早期安定化 に寄与す る.

･粒径が均一であ り,下層へ の水 や空気 の供給が均 一 に行 なわれ るため,土壌層全体 を均 一 に安定化 で きる.

･表面が滑 らか なガラス質であるため,微生物が付 着 しに くく, 目詰 ま りが な く安定 した通気性が確 保 で きる.

3.調査内容 3.1 表面温度分布

活性 の高 い植物 は活発 な蒸発散 を行 い,気化熱 によ り表面温度が低下 し, また含水 の高い土壌 は相対 的 に 低 い表面温度 を呈す ることが予想 される.そ こで,熟 赤外線映像装置 を用 いて植物及 び土壌 の放射温度 を測 定す ることによ り,発泡廃 ガラス材 の混入 によ り付与 される土壌 の保水性及び植物 の活性度 の変化 を測定が 可能 となる.

3.2 分光反射特性

健康 な緑色植物 は,可視光 を吸収 して光合成 を行い, 光合成 に使用 しない近赤外光 は強 く反射す る特性 を有

してい る. この反射率 の特性 を利用 してNDVI(正規 化植生指標) を算 出 し,植物 の活性度 を評価す ること

発 泡廃 ガ ラス材 の緑化基盤材料‑ の適用性 に関す る実験 的研 究

が で きる.す なわ ち,健康 な植物 のNDVIは高 い値 を, 弱 った または枯 れ た植物 のNDVIは低 い値 を呈 す る.

なお ,本研 究 で測定 対 象 と した芝生 のNDVI値 は,吹 式 を用 い た.

NDVI‑(NIR‑VIS)/(NIR+VIS)

NIR :波長850nm (近赤外 線域 ) の反射率 VIS :波長650nm (可視 光線域 )の反射 率

3.3 供試体 内の温度測定

植生 の存在 が, その下位 にあ る構造物‑ もた らす温 度低 減効 果 を明 らか にす るため に,芝草部及 び土壌 部 の温度 (いずれ も深 さ約2.5cmの位置),及 び コンクリー

ト屋上床 面 の温度 をそれぞれ測定 した.

4.供 試体及 び調査方 法

本研 究 で は,実験 A お よび実験 B の二種 類 の実験 を行 な っ た. す なわ ち, 実験Aで は緑 化 基 盤材 に混 入 す る廃 棄 物 材 料 と して発 泡 廃 ガ ラス材 を, 実 験 B で は,発 泡廃 ガラス材 に加 え溶融 ス ラグを使 用 した.

なお ,実験 Bで は,緑化 基 盤材 を詰 め る容 器 と して, 廃 棄物 で あ り軽量性 かつユ ニ ッ ト化が容 易 な発 砲 スチ

ロー ル箱 を用 いてい る.

4.1 実験A

図‑ 1に示 す縦横 1m,高 さ5cmの木枠 の 中 に,計 5種 類 の緑 化材 料 (腐 葉土 のみ,発 泡 廃 ガ ラス10%, 20%,30%配合 ,及 び一般 芝草 用 土 ) を入 れ, そ の緑

7‑1

m ･⊥

ト

一斗

芝生 芝生

(b)断面図

図‑ 1 供 試体模 式 図 (実験A)

127

化材料 の上面 にシー ト状 の芝草 (高麗 芝) を植付 けた.

なお,いず れの供試体共 に若干の微 生物堆肥 を添加 し, 供試体 下面 と屋 上床 面 (コ ンク リー ト) との間 には ビ ニ ール シー トを敷設 し, コ ンクリー ト床へ の水 と根 の 侵 入 を防いでい る.

表‑2には,実験Aにお ける計5種 類 の供試体試料 の単位体積 重量 を示 してい る.潅水 前 において は,芝 草用 一般 土 のみ1.OkN/m3と重 く,他 は0.41kN/m3程 度

と軽量 であ る こ とが分 か る.

これ ら5種類 の供試体 に対 し,(∋熱赤外線 映像装置, (多分光 反射計 ,③ 棒状 温度計 を用 い て,芝草 の植付 け

を行 った2001年7月19日以降,継続 的 に測定 を行 った.

表‑ 2 各供 試体 の単位体積重量 (実験 B)

供試体 潅水 前 潅水 後

① 腐 葉土 のみ 0.3 0.8

発泡

廃 ガラス ②10%配合 0.4 0.8 (参20%配合 0.4 0.8

④30%配合 0.4 0.8

(単位 :kN/m3) 4.2 実験B

図‑ 2に,実験Bにお け る供 試体 の模 式 図 を示す . 実験Bで は, 軽 量 か つ 断熱 性 の あ る発 泡 スチ ロー ル を型枠 と して用 いて,各型枠 には粒 径 10‑25mmの発 泡 廃 ガ ラス材 を5cmの層 で下 部 に敷 い て お り, そ の上

(a)平面図

(b)断面図

図‑ 2 供 試体模式 図 (実験B)

128 山中 稔 ･高木 謹 ･松本健一郎 ･後藤意之輔

層 には,4種類の緑化土壌 (①腐葉土のみ,②腐葉土 に発泡廃 ガラス材30%配合,(参腐葉土 に溶融ス ラグ30

%配合 ,④ 芝草用一般土) を, それぞれ5cm設置 し た.なお,いずれの供試体共 に,芝生の発育 を促進す るために,若干の微生物肥料 を添加 している.

表‑ 3には,実験Bの各供試体 にお ける潅水前 の 単位体積重量 を示す.軽量性 とい う面か らは,配合条 件① 及び② が優れていると言 える.配合条件(参の溶融 ス ラグにおいては,発泡廃 ガラス材 の2倍の重 さであ ることが分かる.

表‑ 3 各供試体の単位体積重量 (実験B)

供試体 上層部 下層部

(∋腐葉土のみ 0.4 発泡廃 ガラス材(中lo‑25mm)

②発泡廃 ガラス材30%配合 0.4

③溶融ス ラグ 0.8

30%配合 0.3

(単位 :kN/m3) 測定方法 としては,実験Aと同様 に,①熟赤外線映 像装置 (サーマルカメラ) による土壌及 び芝生の表面 温度測定,(参スペ ク トルフォ トメータによる分光反射 特性 曲線及 び正規化植生指標 (NDVI)の算 出の二つ を中心 に行 い, さらに層 内の温度 を,③棒状温度計 に よ り測定 した.

5.調査結果 5.1 実験Aの場合

1)表面温度分布

写真‑ 3には,発泡廃 ガラス材20%配合の供試体状

(a) 2001年9月7日測定

写真‑ 3 芝草の生育状況 (2001年9月5日掘影)

況 (200 1年 9月 5日撮影) を,画像‑ 1(a),(b)には, 同 じ供試体 の表面温度分布 を示 している.芝草の枯れ ている箇所 は,生育の良い芝の箇所 と比べ て,表面温 度が高 くなっていることが分かる. また,芝生部の温 度 と土壌表面温度の温度差 を比較すると,画像 ‑1(a)

に示す夏期 で は約 7℃,画像 ‑ 1(b)の冬期 では約 4

℃ と,放射熱の多い夏期での芝生 による減熱効果が大 きいことが分かる.

2)正規化植生指標 (NDVl)

図‑ 3には,各供試体 のND VI値 の変化 を示 してい る.NDVI値 は,9月7日が最 も高 く, また高 い値 を 示す供試体 は発泡廃 ガラス材 を混入 した ものである.

特 に発泡廃 ガラス材20%配合の供試体 においては,い ずれの時期 において も高いND VI値 を示 し,芝草の活 性が高い ことが分かる.

3)NDVl価 と滅熟温度の関係

図‑ 4は,発泡廃 ガラス材20%配合供試体の夏期の 4時期 におけるND VI値 と, 同時 に行 った棒状温度計 による測定結果か ら滅熱温度 (‑土壌内部温度 一芝生

(b) 2001年12月5日測定 画像‑ 1 熟赤外線映像 (発泡廃 ガラス材20%配合)

発泡廃 ガラス材の緑化基盤材料への適用性 に関す る実験的研究

図‑ 3 供試体毎のNDVJ値の比較 (実験A )

050505322110(3.)世鯛東熊

2001年 9月 10日

2001年 9 7

200t年8月23日 2001年 7月27日

0.13 0.30 0.60 0.75 NDVI

図‑4 NDVl億 と漉熱効果の関係

下部温度) を算 出 しグラフ化 した ものであ る. 図 よ り,NDVI借 と減熟温度 はほぼ正の相関があることが 分 か る. す なわ ち, 屋 上緑化 材料 の減 熱効果 は, NDVI備 によ り評価が可能 となることが示唆 されてい

る.

5.2 実験Bの場合 1)表面温度分布

画像‑ 2(a),(b)に,熱赤外線映像装置 による発泡 廃 ガラス材30%配合及び溶融ス ラグ30%配合の供試体 における表面温度の分布 を示す (調査 日 :快晴).秦 面温度分布か ら,発泡廃 ガラス材30%配合の供試体の 方が,溶融スラグ30%配合の供試体 よ りも低 い温度分 布 を呈することが明 らか となった.

2)分光反射特性

図‑ 5に各供試体 のNDVIの結果 を示が,溶融ス ラ グ30%配合の供試体 のみ,芝生の活性度 を示すND ⅤⅠ 値が約2カ月後 に低下 していることが分かる.

3)土壌内温度

熱赤外線映像装置では検出で きない土壌内部,芝生 下部,そ して供試体下部の温度 を,棒状温度計 を用い て測定 し,各箇所の温度比較 を行 った.

(a) 発泡廃 ガラス材30%配合

画像‑2

争87丘V54000000(UQN)養母胡青学帯出

129

(b) 溶融スラグ30%配合

表面温度分布 (12月5日観測)(実験B)

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図‑ 5 二時期におけるNDVl(実験B)

図一 6には,各個所 における温度の測定結果 を示 し ている.溶融スラグ30%配合以外の供試体の温度 は, コンクリー トの屋上床面の表面温度 よりも10℃以上低 か った.｢供試体下部｣の温度 とは,供試体 と屋上床 面の接点であ り, この温度 と屋上床面の温度 を比較す ることで,屋上緑化 による減熱効果が把握することが で きる.

130 山中 稔 ･高木

屋上床面 /〟

芝 生下部

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図‑ 6 各層の温度 (12月5日測定) (実験B)

6.まとめ

本研 究 で得 られ た結果 と して, まず実験Aにお い て,芝草 の枯 れている箇所 は生育の良い芝の箇所 と比 べ て,表面温度が高 くなってお り,放射熱の多い夏期 での芝生 に よる減熱効果が大 きい ことが判 明 した. さ らに,NDVI億 と減熱温度 はほぼ正 の相 関があ り,屋 上緑化材料 の減熱効 果 はNDVI倍 に よ り評価 が可能 で あ ることが明 らか となった. また,芝生の活性度 は発 泡廃 ガラス材 の混入 によ り向上することが分 か った.

一方 ,実験Bか らは,緑化土壌 に,発 泡廃 ガラス 材 を30%配合 した供試体 は,表面温度 ,土壌 内部温度 ともに低 く, また芝生の活性 も高い ことか ら,屋上緑 化材料 に有効であ ることが明 らか となった. また,屋 上緑化材料 を入れ る容器 として用 いた発泡スチ ロール

謹 ･松本健一郎 ･後藤恵之輔

は,有効利用が望 まれる材料 であることか ら,屋上緑 化材料 に使用す ることで,発泡スチロールの特性 を活 か した有効利用が可能であると考 えられ る.

今後 は, さらに観測 を継続 してデー タを蓄積 し,発 泡廃 ガラス材 の屋上緑化基盤材料 としての適用性 につ いて, さらに検討 を進めてい く所存 である.

参考文献

1)山下修二 :都市化 と気候環境 ,地理,vol.28,No.13, pp.13‑25,1983.

2)入江彰昭,平野侃 三 :緑地周辺 に対す る気温低減 効果 と効果的な緑地の分布形態 に関す る研究,第 36回 日本都 市計 画学 会学術 研 究論 文 集,pp.277‑

282,2001.

3)鬼塚 克忠,横尾磨美,原 裕 ,吉武茂樹 :発泡廃 ガ ラス材 の工学 的特性 と有効利用 の一例 ,土 と基 礎 ,地盤工学会,vol.47,No.4,pp.19‑22,1999.4. 4)桃崎節子,原 裕,佐藤磨美,原異由美 :発泡廃

ガラス材 を用 いた屋上緑化工法,平成13年度土木 学 会西 部支 部研 究発 表 会講 演概 要 集, pp.B532‑ B533,2002.3.

5)山中 稔 ,松本健一郎 ,高木 謹,後藤恵之輔 : 発泡廃 ガラス材 の屋上緑化材料への適用 に向けた 芝草の生育調査 ,平成13年度土木学会西部支部研 究発表会講演概要集,B‑528‑B‑529,2002.3.

6)高木 謹,山中 稔 ,松本健一郎,後藤恵之輔 : 発砲スチ ロール箱 お よび廃棄物 を用 いた屋上緑化 材料 の適用性 に関す る基礎 的研 究,同上,pp.B530‑

B531,2002.3