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ヒートアイランド対策としての 保水性舗装の性能評価試験
工学研究科 建築学専攻 2023009 中山 康
孝
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研究背景
屋上緑化建物:アクロス福岡
都市内緑地:新宿御苑
ヒートアイランド対策として
屋上緑化や都市緑化が注目
植生からの蒸散効果
近年
蒸発効果をもたらす舗装材が注目
保水性舗装
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保水性舗装
既往の研究例としてセラミック系保水性舗装の有効性が報告
道路舗装材としての強度不足、コストが問題しかしながら
幹線道路への本格的な適用には至っていない
今日では
・強度やコストの問題をクリア
・幹線道路に施工可能保水性舗装
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保水性舗装
◆ 性能評価手法は未確立
◆ 性能評価を行ったデータは十分ではない
単にアスファルト舗装と保水性舗装の表面温度 を比較して優劣を評価する例が多い
熱収支、放射収支、保水性能などを踏まえた評価が必要
性能評価手法を確立
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研究目的
(株)竹中道路が開発幹線道路に施工可能な保水性舗装を対象
☆ 保水性能の評価蒸発効率を推定し、保水の持続性を考察
降雨や散水
表層
路盤保水
蒸発
☆ 性能評価手法の検証放射収支特性、熱収支特性の把握
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実験概要保水性舗装試験体の組成
従来より多くの空隙を持たせた舗装材空隙率20%
保水材(主に粘土、セメント)を充填
保水性舗装試験体の材料配合表セメント 混練水 界面活性剤 ( )増量材 粘土 / W C
3比重 1比重 1比重 2.7比重 (%)
g 1111.0 2570 26 999.9 4707
cm3 370.3 2570 26 370.3 3337
単位 比重合計
1.41 123
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実験方法と測定項目
事務所
保水性5cm
5000
階段階段
密粒度
2500 2500 25001000 1000
実測現場の平面図
道
保水性10cm
3種の試験体を現場に施工
路盤
密粒度保水性 5cm
5cm
保水性舗装 5cm
路盤
保水性2.5cm5cm
保水性舗装 10cm
路盤
密粒度 10cm
密粒度舗装
(株)竹中道路東京工場(八王子市)
埋設熱電対
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長短波放射計超音波風速計
ディジタル温湿度計熱流計熱電対
750750
3500
750 750500 500
1300
1700
1650
2450
2550
750 750500 500 750 750500 500
事務所
保水性 5cm 保水性 10cm 密粒度
測定機器配置図
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測定項目と使用機器使用機器
1地中温度 (分) 1地中熱流量 (分)
85cm (0.1 )風速・風向(測定高さ: ) 秒
測定項目・サンプリング間隔 1気温・湿度 (分)
1長短波放射量(上向き、下向き) (分)
精密型ディジタル温湿度計熱電対・赤外線放射カメラ熱電対
50mm×50mm×0.7mm熱流計( 厚)3次元超音波風速温度計精密長短波放射計
1 30表面温度 (分) 熱画像( 分)
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実験スケジュール期間: 8月 20日~ 9月 5日
保水性能の評価 5日間は人工散水を実施
毎分6ℓ( 8時~ 9時の 1時間)
技術指針に準拠
人工散水以外の日降雨を対象とした自然状態
8/20 21222324252627282930319/1 2 3 4 5
自然 散水 自然 散水 自然 散水 自然散水のスケジュール
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20253035404550556065
6 8 10 12 14 16 18 20 22 0 2 4 6JST〔h〕
℃表
面温
度〔〕
密粒保水10cm
保水5cm
8 25 26/ ~
20253035404550556065
6 8 10 12 14 16 18 20 22 0 2 4 6JST〔h〕
℃表
面温
度〔〕
密粒保水10cm
保水5cm
8 23 24/ ~
舗装材の温度特性と放射収支表面温度の実測結果
散水を実施した日と実施していない日に分けて考察
各試験体の表面温度散水を実施していない日 散水を実施した日
散水なし→約12℃の差異 散水あり→約15℃の差異
散水
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0.00.51.01.52.02.53.03.54.0
6 7 8 9 10 11 12 13 14JST〔h〕
積算
日射
量〔M
J /㎡〕
0816243240485664
℃表
面温
度〔〕
積算日射量 表面温度
8/23
密粒度舗装
0.00.51.01.52.02.53.03.54.0
6 7 8 9 10 11 12 13 14JST〔h〕
積算
日射
量〔M
J /㎡〕
0816243240485664
℃表
面温
度〔〕
積算日射量 表面温度
8/25
密粒度舗装
積算日射量と表面温度の関係(密粒度舗装)散水なし 散水あり
日射量散水なしの日 < 散水ありの日
表面温度散水なしの日 = 散水ありの日
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0.00.51.01.52.02.53.03.54.0
6 7 8 9 10 11 12 13 14JST〔h〕
積算
日射
量〔M
J /㎡〕
0816243240485664
℃表
面温
度〔〕
積算日射量 表面温度
8/23
5cm保水性
0.00.51.01.52.02.53.03.54.0
6 7 8 9 10 11 12 13 14JST〔h〕
積算
日射
量〔M
J /㎡〕
0816243240485664
℃表
面温
度〔〕
積算日射量 表面温度
8/25
5cm保水性散水あり散水なし積算日射量と表面温度の関係(保水性舗装5 cm)
日射量散水なしの日 < 散水ありの日
表面温度散水なしの日 > 散水ありの日
散水の効果あり
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放射収支の実測結果
0
200
400
600
800
1000
6 7 8 9 10 11 12 13 14JST〔h〕
日射
量〔W/㎡〕
0.0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
アルベ
ド
Q↓ アルベド
8 25/
密粒度舗装散水あり
0
200
400
600
800
1000
6 7 8 9 10 11 12 13 14JST〔h〕
日射
量〔W/㎡〕
0.0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
アルベ
ド
Q↓ アルベド
8 25/
5cm保水性散水あり日射量とアルベド(日射反射率)の関係
散水によりアルベドが低下する
散水
放射面では、表面温度上昇の抑制にマイナスの効果
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放射収支の実測結果
0
200
400
600
800
1000
6 7 8 9 10 11 12 13 14JST〔h〕
日射
量〔W/㎡〕
0.0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
アルベ
ド
Q↓ アルベド
8 23/
密粒度舗装
0
200
400
600
800
1000
6 7 8 9 10 11 12 13 14JST〔h〕
日射
量〔W/㎡〕
0.0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
アルベ
ド
Q↓ アルベド
8 23/
5cm保水性散水なし 散水なし
今回用いた保水性舗装 日射を高反射
表面温度の上昇を抑制する効果
・散水をしない場合の表面温度の差異アルベドが要因
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舗装材の保水性能評価熱伝達率の現場測定とその検証
舗装材の蒸発効率( β)の推定をねらいとして
xEk /⊿ (式 1)βの算出に必要
k:物質伝達率〔 kg/(㎡・ s・( kg/ kg’))〕E:蒸発速度〔 kg/㎡・ s〕 ⊿ x:表面と大気の絶対湿度の差〔 kg/ kg’〕
濾紙を用いた物質伝達率の測定
濾紙
アクリル板
濾紙 :1mm
アクリル板 :5mm
寸法 :60cm×60cmサーミスタ温度計
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k83.0C α/ (式 2)
)(H as θθα (式 3)
LEGHRn (式 5)
α:熱伝達率〔W/㎡・ K〕C:湿り空気の比熱〔 J/ kg・ K〕
H:顕熱輸送量〔W/㎡〕 θs:表面温度〔℃〕 θa:外気温度〔℃〕
Rn:正味放射量〔W/㎡〕G:地中熱流量〔W/㎡〕LE:潜熱輸送量〔W/㎡〕
s2400105.2L 6 θ (式 4)
実測 実測計算 計算
L :気化の潜熱〔 J/ kg〕
)xx(kE as (式 6)
xs :表面の絶対湿度〔 kg/ kg’〕xa :外気の絶対湿度〔 kg/ kg’〕
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y = 4.7 x + 1.0
0
1
2
3
4
5
6
7
8
0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6Uxyz〔m/s〕
α〔W/㎡
・K〕
熱伝達率( α )と風速の関係
y = 22.9 x + 4.7
0
5
10
15
20
25
30
35
40
0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6Uxyz〔m/s〕
k 〔kg/
(㎡・s
・(kg/
kg' )
)〕
物質伝達率( k )と風速の関係
風速は弱かったが
伝達率測定の精度が確認できた
物質伝達率、熱伝達率と風速 対応関係を確認
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-100-50
050
100150200250
6 9 12 15 18 21 0 3 6JST〔h〕
熱流
量〔W/㎡〕
Rn-G H
8 23 24/ ~
密粒度
-100-50
050
100150200250
6 9 12 15 18 21 0 3 6JST〔h〕
熱流
量〔W/㎡〕
Rn-G H
8 30 31/ ~
密粒度
Rn- Gと Hの関係(散水を実施していない日)
Rn- G:熱収支式(式5)の残差
H:濾紙の試験をもとに(式3)から算出した若干の差異が見られたが、ほぼ同程度の値であった
伝達率測定と熱収支の精度が確認できた
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蒸発効率を用いた保水性能評価
-100
0
100
200
300
400
500
6 7 8 9 10 11 12 13 14JST〔h〕
熱流
量〔W/㎡〕
-0.5
0.0
0.5
1.0
1.5
2.0
2.5
蒸発
効率
H LE Rn β
10cm保水性8 24/
-100
0
100
200
300
400
500
6 7 8 9 10 11 12 13 14JST〔h〕
熱流
量〔W/㎡〕
-0.5
0.0
0.5
1.0
1.5
2.0
2.5
蒸発
効率
H LE Rn β
5cm保水性8 28/
蒸発効率の検証(散水を実施していない日)
乾燥時の蒸発効率( β)
おおむね0となることが確認できた
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-1000
100200300400500
6 7 8 9 1011121314JST〔h〕
熱流
量〔W/㎡〕
-0.50.00.51.01.52.02.5
蒸発
効率
H LE β
10cm保水性8 22/
-1000
100200300400500
6 7 8 9 1011121314JST〔h〕
熱流
量〔W/㎡〕
-0.50.00.51.01.52.02.5
蒸発
効率
H LE β
5cm保水性8 22/
蒸発効率の変化(上:散水、下:降雨)
-1000
100200300400500
6 7 8 9 1011121314JST〔h〕
熱流
量〔W/㎡〕
-0.50.00.51.01.52.02.5
蒸発
効率
H LE β
10cm保水性8 27/
-1000
100200300400500
6 7 8 9 1011121314JST〔h〕
熱流
量〔W/㎡〕
-0.50.00.51.01.52.02.5
蒸発
効率
H LE β
5cm保水性8 27/
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25
30
35
40
45
50
55
6 7 8 9 10 11 12 13 14JST〔h〕
℃表
面温
度〔〕
-0.5
0.0
0.5
1.0
1.5
2.0
2.5
蒸発
効率
Ts β
5cm保水性8 25/
25
30
35
40
45
50
55
6 7 8 9 10 11 12 13 14JST〔h〕
℃表
面温
度〔〕
-0.5
0.0
0.5
1.0
1.5
2.0
2.5
蒸発
効率
Ts β
10cm保水性8 25/
保水の持続性
散水終了 :9時 乾燥状態(蒸発効率0) :11時
おおむね2時間の保水持続性
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結論
・密粒度舗装と保水性舗装日中の表面温度に顕著な差異
散水を行わない場合:アルベドが大きな要因
・濾紙面蒸発量→物質伝達率、熱伝達率→熱収支の検証
Rn- Gと Hの値はほぼ同程度であった伝達率測定の精度が確認できた
・保水性舗装に毎分6ℓで1時間の散水
保水持続性はおおむね2時間程度
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・本実験で用いた保水性舗装の性能を踏まえると
夏季日中の路面温度上昇を長時間抑制するには難しい
散水の量を増加させる必要
効果を期待した実用化には検討の余地
しかしながら今回の一連の測定方法により
保水性舗装の保水性能評価ができる
一つの成果