日本の土瓦：瓦の種類、工芸品、耐久性

日本の粘土瓦 、総称して知られています かわら は、1,400 年以上にわたって日本の寺院、城、住宅を守ってきた高耐火土器の屋根材です。その特徴的な技術的特性は、3% 未満の吸水率、通常 20 MPa を超える圧縮強度、梅雨の集中豪雨と毎秒 60 メートルを超える台風の揚力の両方に耐える連動形状です。地中海屋根で一般的な平らな粘土瓦とは異なり、日本の瓦は独特の三次元形状、つまり凹面の皿の上に凸面の曲線が形成されており、構造的に硬い、自己排水性の表面を作り出しています。伝統的な燻製瓦屋根の濃いシルバーグレーは、表面に施さ​​れた釉薬ではありません。これは、還元焼成プロセス中に粘土体の微細な細孔に堆積した炭素であり、タイルの外層を無孔質で水をはじくセラミック皮膜に化学的に変化させます。

粘土: 原料の選択と準備

日本瓦の性能の基礎となる粘土体は、成形のための可塑性、生の状態で取り扱うための十分な乾燥強度、および低い気孔率を達成するための焼成温度でのガラス化という 3 つの競合する要件を満たさなければなりません。歴史的に瓦の生産に使用されてきた粘土堆積物は二次粘土、つまり風化源から運ばれて沖積盆地に堆積した粘土であり、耐火性をもたらすカオリナイトと可塑性をもたらすイライトまたはモンモリロナイトの両方が豊富です。典型的な瓦粘土の体には次のものが含まれます。 40-50% カオリナイト、20-30% イライト、15-25% ファインクォーツ 酸化鉄含有量は通常 2% ～ 5% であり、焼成雰囲気に応じて淡い黄褐色から濃い赤色までの範囲の焼成色に寄与します。

現代の瓦製造では、原料の粘土を屋外で 6 ～ 12 か月間風化させる精製された粘土体が使用されます。このプロセスは、 ねなし この間、凍結融解サイクルと細菌の作用により有機物が分解され、水分含有量が均一化されます。次に、風化した粘土を粉砕し、ふるいにかけて石や根を取り除き、乾燥収縮を制御するために水と少量の細かいグロッグ（事前に焼成して粉砕したタイル本体）を混合します。通常、重量で 5% ～ 10% のグロッグ添加により、乾燥直線収縮が純粋な粘土体の約 8 ～ 10% から扱いやすい 5 ～ 7% に減少し、形成されたタイルが焼成前に乾燥する際のひび割れが防止されます。準備されたボディの可塑性は、アッテルベルグ限界を使用して測定されます。 18 ～ 25% の可塑性限界と 35 ～ 45% の液体限界により、過剰な乾燥過敏症を生じることなく、押出およびプレスプロセスに必要な加工性が得られます。

タイルの種類とその特徴的な形状

日本の屋根は、独特の形状の瓦のシステムから組み立てられており、それぞれが全体の耐候性と美的構成において特定の機能を持っています。これらの形状がかみ合う形状により、各タイルに接着剤や機械的留め具を使用せずに、風による吹き上げに抵抗しながら、瓦屋根に水をはじく能力が与えられます。屋根野を形成する主なタイルの種類は次の 3 つです。

フィールドタイルを超えて、完全な瓦屋根システムには、特殊な終端タイルと移行タイルが含まれます。 軒瓦 （軒瓦）屋根の水を壁線を超えて運ぶ装飾的なペンダント面を備え、多くの場合、浮き上がった家紋や寺院の紋章を特徴としています。 鬼瓦 （棟端タイル）神話上の獣や花のモチーフの形に彫刻され、棟を覆い、風による雨から妻の端を保護します。 隅川原 軒と棟の交差点で角を曲がる（コーナータイル）。そして 宗瓦 屋根の頂点を覆う棟瓦。尾根はさらに補強されています シックイ モルタルキャップ（麻繊維と海藻抽出物を混合した伝統的な石灰ベースの漆喰）で、棟瓦を一体構造の耐候性梁に結合します。

いぶし瓦と還元焼成の燻し仕上げ

日本の伝統的な屋根瓦の象徴的な濃いシルバーグレーの色は、「瓦」と呼ばれる特殊な焼成技術の結果です。 いぶし （燻製）、着色、密閉、化学的変化を同時に行う表面を作成します。イブシプロセスは、キルンサイクルの最終段階で行われる制御された還元焼成です。タイルはまず酸化雰囲気中で約 1000～1100℃ これにより、粘土体が最終強度まで焼結され、酸化鉄の含有量から基本色が発色します。通常、酸化により暖かいオレンジがかった赤色になります。ピーク温度では、キルンバーナーは燃料が豊富な混合物になるように調整され、空気の供給が制限されます。酸素欠乏燃焼により、一酸化炭素と遊離炭素粒子が生成されます。窯の雰囲気は酸化から還元に変わり、熱いタイル表面のまだ開いている細孔に炭素が堆積します。

同時に、還元雰囲気はタイル表面の赤色酸化鉄 (Fe2O3、ヘマタイト) を黒色酸化鉄 (Fe3O4、磁鉄鉱) に化学変換し、さらに鉄の一部を細かく分散した形の金属鉄に還元します。複合的な効果により、高密度で炭素が飽和した表面層がほぼ形成されます。 厚さ0.1～0.3mm それは非多孔質で疎水性です。いぶしタイル表面を濡らすのではなく、水玉を表面に付着させると、下のタイル本体の吸水率が2～3％であっても、燻し面の吸水率は1％未満に低下します。燻煙プロセスは、窯を密閉し、還元雰囲気で冷却することで終了します。これにより、炭素と鉄の化合物の再酸化が防止されます。結果として得られる表面は、微妙で明るい性質を持ち、平らな黒ではなく、ほのかな金属光沢のある深い木炭のような性質を持ち、何十年にもわたって優雅に風化して、柔らかく落ち着いた緑青を形成します。

釉薬タイル 湧泉瓦とカラーバリエーション

いぶし瓦と並んで日本の窯が生み出す 郵船瓦 —施釉セラミックタイル—焼成前にガラス形成スリップがタイル表面に塗布され、窯サイクル中に溶けてガラス状の不浸透性コーティングになります。釉薬は長石、シリカ、粘土をベースに、色として金属酸化物が添加されています。緑色は銅、青色はコバルト、茶色と琥珀色は鉄、紫黒色はマンガンです。釉薬は、乾燥した未焼成のタイルにスプレーまたは浸漬することによって塗布され、粘土体を焼結するのと同じ焼成サイクル中に熟成します。釉薬層は、通常、 厚さ0.2～0.5mm 、吸水率は実質的にゼロであり、タイルに雨の中で自浄作用のある光沢のある光を反射する表面を提供します。

歴史的に最も重要な釉薬タイルの色は、京都と奈良の寺院の屋根に見られる青緑色の銅釉です。これは、酸化銅の添加によって実現されます。 2～5重量％ 釉薬バッチに。この釉薬は酸化して焼成されると、鮮やかなターコイズグリーンを生み出し、日本の神聖な建築を象徴するようになりました。現代の住宅用施釉タイルは、マット ブラック、チョコレート ブラウン、テラコッタ オレンジ、モス グリーン、スレート ブルーなど幅広いパレットで入手でき、多くの場合、施釉表面のメンテナンスの手間がかからない利点を維持しながら、まぶしさを軽減する半マット仕上げが特徴です。釉薬はまた、タイルの曲げ強度に測定可能な増加を加えま​​す。わずかに異なる速度で冷却される際に、釉薬が下層の粘土体に及ぼす圧縮プレストレスにより、破断係数が約 10 ～ 15% 増加します。

機械性能：地震・台風・連動システム

日本の粘土瓦屋根は重いシステムです。瓦、粘土床のモルタル、木材下地を含む瓦屋根の 1 平方メートルには、1 平方メートルの死荷重がかかります。 1平方メートルあたり50〜70kg 。この重量は耐震設計では不利に見えるかもしれませんが、実際には調整された質量減衰の原理によって屋根の耐震性に貢献しています。重い屋根は建物の基本的な固有振動数を低下させ、屋根が壁構造に適切に固定されている場合、慣性質量が構造全体の剛性を高めることで地震の横方向の力に抵抗するのに役立ちます。重い瓦屋根を備えた伝統的な木骨造りの建物は、何世紀にもわたる日本の地震に耐えてきましたが、現代の建築基準では、伝統的な重力と摩擦に基づく設置に加えて、すべてのタイルを確実に機械的に固定することが求められています。

屋根瓦の設計では、耐台風性がより要求されます。屋根の上を流れる風は、風下側の斜面や軒先、棟に負圧（吸引力）を発生させ、それ以上の風速では粘土瓦にかかる揚力が自重を超えることがあります。 毎秒35メートル 。伝統的な瓦は、パンとカバータイルの噛み合い形状とタイル自体の相当な重量による隆起に耐え、軒タイルは銅線のタイで屋根被覆材にさらに固定されていました。日本の建築基準法に基づく最新の設置では、すべてのタイルを耐腐食性の金属クリップまたはタイルのインターロックに確実に係合して屋根の当て木に固定するステンレス鋼のワイヤータイで機械的に固定する必要があります。固定システムは少なくとも次の上昇力に耐える必要があります。 1.2kN/平方メートル 強風にさらされるゾーンの建物向け。日本建築研究所による本格的な風洞試験により、機械的固定具を備えて適切に設置された瓦屋根は、カテゴリー 4 の台風に相当する 60 m/s を超える風速にも耐えられることが検証されました。

凍結融解耐久性と吸水性の基準

冬に凍結する地域の粘土屋根瓦は、吸水率が臨界値を超えると凍害の影響を受けやすくなります。タイル本体に浸透した水は凍結すると約 9% 膨張し、その水圧によりタイル表面が剥離したり、タイル全体が破損したりすることがあります。日本工業規格 JIS A 5208 粘土屋根瓦の場合、沸騰水に 24 時間浸漬して試験した場合、最大吸水率は釉薬瓦では 3%、素焼き (燻製) 瓦では 5% と規定されています。これらのしきい値は、ヨーロッパ標準 EN 1304 と比べて意図的に控えめに設定されており、穏やかな気候では低負荷タイルの場合は最大 6%、中負荷タイルの場合は 10% まで許容されます。

日本の基準の厳格さは気候の現実を反映している。淡路島の歴史的なタイル生産地域や山陰海岸を含む日本の多くの地域では、冬に大量の降雪があり、凍結と融解が繰り返される。吸水率が 5% を超えるタイルは、冬季が続くと損傷が蓄積され、通常、故障モードは雪解け水がたまり再凍結する凸状カバー タイルの表面剥離として始まります。いぶしタイルのスモーク表面は、炭素充填の低多孔性表面層が露出面で液体の水がタイル本体に侵入するのを防ぎ、高密度で疎水性の外側と、より多孔質だが保護された内側を備えた傾斜材料を効果的に作成するため、さらなる凍結融解耐性を提供します。

地方の窯と土瓦の由来

日本の粘土瓦の生産は、いくつかの歴史的な窯地域に集中しており、それぞれが独特の粘土体、特定の瓦の輪郭、そして認識できる美的特徴に関連付けられています。最も重要な生産地は次の 3 つです。

• 淡路島（兵庫県）： 国内瓦生産量の約6割を占める最大規模の瓦産地。淡路粘土は、優れた可塑性と低い鉄含有量を備えたきめの細かい海洋沖積堆積物であり、いぶし燻製プロセスに最適な淡い黄褐色の体を生成します。淡路のいぶし瓦は他の燻瓦の基準とされています。
• 三州（愛知県）： で知られる第二位の産地。 三州瓦 ブランド。三州土は鉄分が多く濃い赤色の土を生み出し、釉薬瓦の産地として知られています。讃州地方の三菱企業町高浜は、現在日本で最も一般的な住宅用屋根材である一体型S形瓦の発祥の地です。
• 石州（島根県）： で知られる日本海側の歴史ある産地。 石州瓦 、自然に高い割合で細かいケイ砂を含む粘土から焼成されます。砂質の石州瓦は表面に独特の木目があり、耐凍害性にも優れているため、日本海側の豪雪地帯で好まれています。

通常、各タイルの裏面には産地の窯が刻印またはエンボス加工され、JIS 認証マークと製造日が記載されます。歴史的建造物の修復プロジェクトでは、美的連続性と既存の屋根構造との技術的互換性の両方のために、元の窯のタイルのプロファイルと表面仕上げを一致させることが不可欠です。

設置: 木材の下地と固定システム

日本の粘土瓦屋根は、垂木、水平当て木、および杉の板、または現代の建築では構造用合板の連続した屋根被覆材で構成される木造基礎構造の上に取り付けられます。瓦屋根の屋根勾配は通常、 4/10～6/10（約22～31度） 。ピッチが浅いと、風が吹く状況では水が浸入する危険性があります。ピッチが急になると、タイルの滑りを防ぐために追加の機械的拘束が必要になります。瓦は軒先から棟に向かって水平に敷かれます。各パンタイルは、その下側に成形されたペン先を備えた目板の上に引っ掛けられ、各カバータイルは少量の粘土モルタルで敷き詰められるか、現代の慣例では目木に係合するステンレス鋼のスプリングクリップで固定されます。

軒瓦は最初に設置されるもので、屋根全体の位置関係を決定します。銅またはステンレス鋼のドリップエッジが鼻隠しボードに固定され、軒タイルはタイル本体にあらかじめ形成された穴を通して外装に配線されます。棟は最終組み立てです。高く上げた木材の棟板を漆喰石灰モルタルの連続層で覆い、棟タイルを銅線タイでモルタルにセットし、モルタルの最終キャップをタイルの上に成形して、棟タイルの下に風が入り込むのを防ぐ滑らかな空気力学的な移行を作り出します。棟アセンブリは屋根の中で嵐による損傷に対して最も脆弱な部分であり、現代の慣行では、棟瓦を屋根構造に機械的に結び付けるステンレス鋼の棟ストラップで棟アセンブリを補強しています。

メンテナンス、コケ対策、寿命について

よく製造され、適切に設置された日本の粘土瓦屋根は、次の耐用年数を誇ります。 50年から100年 タイル本体自体の場合は、下敷き、水切り、棟モルタルの保守間隔は短くなります。メンテナンスの主な懸念事項はコケと地衣類の成長であり、日本の湿気の多い日陰の環境では特に顕著です。コケ根茎は、素焼きの燻製タイルの微細な表面の細孔に侵入し、湿気のサイクルで根が伸縮するため、数十年にわたって表面の剥離を引き起こす可能性があります。従来のメンテナンスには、コケを定期的に手作業でこすり落とすことが含まれていましたが、この労働集約的な方法は、コケの再成長を数年間抑制する硫酸銅または塩化ベンザルコニウム殺生物剤処理の適用に置き換えられることが増えてきています。

最も過酷な湿潤と乾燥のサイクルにさらされる棟モルタルは、ほぼ毎回ポイントを再設定する必要があります。 20年から30年 。軒と尾根の銅線タイは、特に塩分を含んだ空気のある沿岸環境では腐食するまでは同様の耐用年数を持ち、尾根の向きを変えるときに検査して交換する必要があります。ひび割れまたは剥離した個々のタイルは、タイルのプロファイルがまだ製造中であれば、損傷したタイルをスライドさせて外し、新しいタイルを挿入することで、周囲の屋根に影響を与えることなく交換できます。もう製造されなくなった歴史的なタイルの場合、取り壊された建物から回収されたタイルが代替材料の主な供給源であり、この目的のために元の設置場所から予備のタイルの在庫を保持しておく必要があります。