押出ポリスチレンは、地下用途において発泡ポリスチレンよりも高いR値を示す。

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記事「押出ポリスチレンはより高いR値を実現」

抽象的な

アラスカ大学フェアバンクス校アラスカ大学交通センターによる新しい研究（コナー研究[1]）は、厳しい気候の地下用途から取り外された断熱材のR値を最近報告し、以前の2つの同様の研究[2, 3]のデータを補完しました。3つの研究は、道路や空港の滑走路の下に設置された押出ポリスチレン（XPS）と発泡ポリスチレン（EPS）断熱材の、使用期間が1年から31年までの1インチあたりの使用中のR値を報告しました。これら3つの研究のデータは、厳しい地下用途におけるXPSとEPSの両方の使用中の性能をより確実に決定するために統合されました。新しいデータは、EPSと比較してXPSの1インチあたりのR値が高いことを示す以前の結果を裏付けています。実際、新しい結果は、以前の結果が時間の経過に伴うEPSの熱抵抗の低下を過小評価していることを示しています。同じ使用中のR値を実現するには、EPSはXPSの1.5～2倍の厚さにする必要があります。

導入

寒冷地の道路や飛行場の下にあるポリスチレン断熱材のR値は、凍上や永久凍土の融解による損傷からインフラを保護するために重要です。そのため、経年劣化や吸湿など、使用中のR値性能に影響を与える主な要因を考慮する必要があります。ポリスチレン断熱材の長期性能に関心のある建築家、エンジニア、コンサルタント、経験豊富な建設仕様担当者は、アラスカの寒冷地の3つの異なる地下の場所から現場で採取した15個のポリスチレン断熱材サンプルの試験結果に関する新しい洞察に満ちたレポート[1]を高く評価するでしょう。

コナー研究の最終プロジェクト報告書[1]では、以下のことが判明した。

同等の断熱性能（R値）を実現するには、EPSはXPSの1.5～2倍の厚さが必要となる。
今回の新たなデータは、XPSの方がEPSよりも1インチあたりのR値が高いことを示す以前の結果を裏付けるものである。実際、今回の新たな結果は、以前の結果がEPSの熱抵抗の経時的な低下を過小評価していたことを示している。
EPSおよびXPS製品を分類するために使用される小規模な実験室比較試験（ASTM C272 [4]やASTM D2842 [5]など、材料規格ASTM C578 [6]およびCAN/ULC S701.1 [7]で参照されているもの）は、現場で実現される実際の長期的なR値を完全に考慮していません。
新しいEPS製品は、現場での採掘後、地中深くで長年暴露された後に評価されたR値性能の向上には結びつかなかった。
EPSにおける吸湿は、XPSにおける吸湿と経年劣化よりも、使用中のR値に及ぼす悪影響がはるかに大きい。

背景

コナー氏の研究以前は、3つの報告書の中で最も古いXPSサンプルは使用期間25年、最も古いEPSサンプルは使用期間15年でした。XPSとEPSを合わせたデータポイントの総数は、それぞれ18と7でした。コナー氏の研究は、特に長期使用におけるEPSとXPS断熱材に関する追加データを提供し、同様の使用年数範囲で最新の比較評価を可能にしました。

以前の研究

エッシュの研究[2]では、アラスカ州道路局が凍上と永久凍土の融解を抑制するために建設した14.7車線マイルの道路と9,750フィートの飛行場滑走路について調査しました。これらの用途では、1960年代後半に地中部に断熱材が設置され、その後の評価のために1984年頃に取り出されました。EPSサンプルは3年と15年経過しており、XPSサンプルは3年、5年、10年、15年、20年、25年経過していました。

PouliotとSavardの研究[3]では、その後、ケベック州サン・マルティール・カナディアン（ケベックシティの南）にある長さ約385メートルの実験用道路区間を評価し、XPSとEPSを使用した断熱されていない道路区間と断熱された道路区間の性能を比較した。この道路は1995年に建設され、XPSとEPSの材料は使用開始後1年、3年、5年、7年後に取り出された。

既存の厚み比率

ポリスチレン断熱材の比較評価の典型的な表現は、厚さ比で表されます。推奨されるEPS断熱材の厚さは、必要なXPSの厚さにEPS/XPS厚さ比を乗じることで求められます。たとえば、設計で4インチのXPSが必要で、推奨厚さ比が1.5の場合、設計仕様ではEPSの厚さを4インチの1.5倍にする必要があります。4インチのXPS設計仕様の代替として、6インチのEPSが必要になります。1986年のEsch研究では、推奨厚さ比は1.36でした。2003年のPouliotとSavardの研究では、推奨厚さ比は1.20でした。これに対し、Connorの研究では、EPSの厚さをXPSの厚さの1.5～2.0倍に増やすことを推奨しています。 EPS/XPS の厚さ比は、通常、ASCE 32 などの既存の設計文書から導き出されます。水平方向に設置される断熱材の場合、凍結防止浅基礎に関する ASCE 32 規格 [8] および国際住宅コード [9] では、凍結防止浅基礎用途の水平配置の場合、設計 R 値が R-2.8 のタイプ IX EPS と設計 R 値が R-4.0 のタイプ IV XPS の厚さ比を 1.43 とすることを推奨しています。これらの断熱材タイプは、ASTM C578 で同様の密度を持っています。この計算された厚さ比 1.43 は、広範な文献調査 [10] に基づいています。ASCE 32 で規定されている厚さ比 1.43 は、基礎排水対策の有効性の不確実性と、より厳しい地盤条件が発生する可能性を考慮したものです。以前の 2 つの研究に加えて、Connor の研究は、これらの規定された厚さ比をさらに詳しく示しています。地盤条件の厳しさは場所によって異なり、使用年数とともに悪化します。

コナー研究

コナー氏の研究は、過去および最近のEPSおよびXPS製品の耐湿性能に関する新たな知見を提供する、長期にわたる実使用データを示しています。このデータによると、新しいEPS製品（約5年間の使用後）の熱性能と耐湿性能は、古いEPS製品とほぼ同等であることが示されています。この新しいデータは、ASCE 32で規定されている現在の厚さ比、およびエッシュ氏の研究やプーリオ氏とサヴァール氏の研究で示された厚さ比が妥当である、あるいは過小評価されている可能性さえあることを裏付けています。また、このデータは、地下用途におけるXPSの優れた耐湿性能と熱性能を改めて証明しています。

コナー研究におけるEPSサンプルは、5年間（アラスカ州ダルトンハイウェイ）および21年間（アラスカ州クリプルクリークハイウェイ）にわたり地中条件下に置かれた。XPS断熱材は、31年間（アラスカ州ゴリバン空港）にわたり地中条件下に置かれた。これらのサンプルは、それぞれ21年および31年間の使用後のEPSおよびXPSの性能に関する追加データを提供する。地中から採取されたEPSおよびXPSサンプルは、広範囲にわたって調査された。研究者らは、有効R値および吸水性能に明確な違いがあることを発見した。

複数のサイトにより、幅広い条件下での性能を、長期的な傾向を明らかにするのに十分なサンプルサイズで調査することが可能になります。これらの長期間の使用期間中、ポリスチレン断熱材サンプルは、経年劣化、吸湿と乾燥、および圧縮力の影響を受けてきました。EPSとXPSのそれぞれについて、3つの研究すべてのデータを組み合わせると、サンプルサイズは19と21となり、使用中の最長年数は21年と31年です。R値性能の結論は以下に引用され、図1に示されています。

コナーの研究試験結果によると、EPSの1インチあたりのR値は、使用開始後最初の5年間で急速に低下しました（使用中の1インチあたりのR値は3.13～3.70の範囲）。これに対し、XPSの1インチあたりのR値は、以前に測定されたXPSサンプルでは、使用開始後5年経過してから徐々に低下しました（1インチあたりのR値は4.51～5.15の範囲）。さらに、コナーの研究では、XPSの1インチあたりのR値は徐々に低下し、使用開始後31年経過すると平均値約4.1で安定することが示されました。これに対し、EPSの1インチあたりのR値は急速に低下し、使用開始後21年経過すると平均値約2.2で安定しました。

図1：熱抵抗（1インチあたりのR値、単位：°F hr ft2 / Btu）と使用年数の関係。このグラフは、Connor氏が表形式で提示したデータポイントをプロットしたものです。また、Connor氏が数式で示したEPSおよびXPSサンプルの最適近似平均曲線と、最適近似平均曲線から1標準偏差を引いた値も示されています。

図1は、Connorの研究で報告された、使用中の1インチあたりのR値のデータポイントをグラフ化したものである。新しいデータポイントは、EPSと比較してXPSの方が1インチあたりのR値が高いことを示す以前の結果を裏付けている。実際、新しい結果は、以前の結果がEPSの熱抵抗の経時的な低下を過小評価していたことを示している。

コナーの研究では、使用中の厳しい地下環境への曝露を考慮して必要な断熱材の厚さを計算する方法の1つとして、1インチあたりの平均使用中R値から1標準偏差を引いた値（図1の実線）という概念を開発しました。

使用期間が長くなるにつれて1インチあたりのR値が低下することを考慮するため、他にもいくつかの手順とそれに対応する乗数が提案されている。いずれの手順を用いるにしても、コナーの研究では、EPSがXPSと同等の熱性能を発揮するためには、EPSの厚さをXPSの厚さの1.5～2.0倍にする必要があると結論付けている。

今後の研究への示唆

断熱材の性能に影響を与える要因には、R値、水分、温度、経年劣化、周辺土壌の組成、排水、設置品質などがあります。すべてのXPSおよびEPSポリスチレン製品は、ASTM C578 [6]、CAN/ULC S701.1 [7]、またはAASHTO M230 [11]の仕様を使用した小規模な実験室比較試験に従ってタイプに分類されます。上記で述べた多くの変数を考慮すると、これらの小規模な結果を外挿して現場での性能を正確に表す（または設計値を示す）ことは誤解を招きます。

例えば、短期的な小規模な実験室試験に基づく長期熱抵抗（LTTR）[12]、すなわち経年劣化は、設計R値であり、最も重要な製品基準であるとみなされることがあります。しかし、これは不正確な仮定です。経年劣化のような単一の小規模な試験特性では、断熱材の実際の現場での性能がすでに過酷な実環境で確認されている場合、断熱材の使用中の設計熱抵抗を正確に予測することはできません。

さらに、気候や土壌条件が異なるため、国内のある地域での現地調査の結果が、国内全地域で同様の性能を正確に予測できるとは限りません。幸いなことに、これら3つの研究では、アラスカ州フェアバンクスやカナダのケベック州など、凍結融解サイクルが激しい複数の気候条件を調査しました。これらの研究は重要な長期データを提供していますが、ポリスチレンの分類に使用される小規模な試験方法は、長期性能を示すものではありません。仕様策定者は、この研究データが自らの気候地域に適用可能であることを確認する責任があります。

コナー研究のもう一つの重要な発見は、小規模な吸湿試験を実使用時の性能予測に用いることの欠点を示している。1インチあたりのR値の測定に加えて、すべてのサンプルで吸湿量が測定された。コナー研究は、「体積あたりの水分量」データポイントと1インチあたりのR値データポイントとの相関関係を明らかにしようとした。あるEPS製品は、小規模な実験室試験（ASTM C578で要求されているもの）に基づいてXPSと同じ吸湿性を持つと主張したが、実使用時の性能は大きく異なっていた。

つまり、改良されたEPSの小規模吸湿試験結果は、使用中の吸湿によるEPSのR値の急速な劣化を統計的に改善するものではなかった。これらの研究では、吸湿量の相対的な差が、使用中の地中におけるR値の劣化を説明するのに役立つ。すべての研究において、XPSは平均してEPSよりも吸湿量が少なかった。そのため、EPS製品には厚さ比を適用する必要がある。

要約と結論

要約すると、科学的研究と実証的証拠を通して、XPSの耐久性が再確認された。

本研究では、材料規格ASTM C578またはCAN/ULC S701.1に基づいて製品を分類するために使用される小規模試験では、現場での実際の性能低下が考慮されていないことが示唆されています。EPSの吸湿は、XPSの吸湿および経年劣化よりも、使用中のR値に大きく悪影響を及ぼします。このような過酷な地下用途では、吸湿後、EPSとXPSは使用中にほとんど乾燥しないことが研究で示されています。

こうした研究3件のうち最新のコナーの研究では、XPSはEPSに比べて熱抵抗が高いことを確認しており、その理由としてXPSの吸湿性がEPSよりも低いことを挙げています。さらに、EPSとXPSの厚さ比を1.5～2.0にすることを推奨しています。

注：著者、謝辞、参考文献を含む本研究の別バージョンは、押出ポリスチレンフォーム協会のウェブサイト（こちら）でご覧いただけます。

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