2021.11

土木施工 11 月号

特集：持続可能な社会の発展に貢献する土木技術（新たな連携）より抜粋

高熱伝導コンクリート舗装に関する研究について
未利用熱エネルギーの利用拡大のために、熱伝導率をコントロール
防災科学技術研究所 雪氷防災研究センター 客員研究員 美寺 寿人
新潟大学 工学部

はじめに「もし、コンクリートの熱伝導率が2倍、または3倍に、つまり放熱能力が2倍、3倍になるとどういうことが起こるのでしょうか。」
例えば、路面融雪施設に関して、下水熱などの低温度エネルギーを利用することができなかった北海道において、未利用熱エネ

社会基盤工学プログラム 教授

佐伯 竜彦

子、研磨剤などに使われている。
また、セラミックス素材の中では、比較的高い熱伝導性を有していることから、放熱材としても使用されている。
写真－1は、本研究で使用したアルミナ骨材である。左は細骨材、右は粗骨材として使用した。また、表面には、微細な凹凸がある。

ルギーを活用できるようになったり、既に下水熱などを利用している地域において、建設コストを低減できるかもしれません。
路面融雪施設のロードヒーティングにおけるコンクリート舗装の機能は、車両の荷重に対して放熱管を防護する耐荷機能と併せて、放熱管からの熱を路面に伝える熱伝導機能を有しています。
一般的にコンクリートは熱伝導率が1.6W/m℃と言われています。
本研究は、融雪技術における熱エネルギーの効率的な利用に資するために、コンクリートの放熱能力を大幅に高めて、高い熱伝導性を有する舗装材を開発することを目的として始めました。

写真－1 使用したアルミナ骨材

本稿では、コンクリートの熱伝導率を一定の範囲内でコントロールできることを確認した試験概要と、その熱伝導率の向上がロードヒーティングの設計に及ぼす効果についての考察を報告します。

コンクリートの各配合ケースと熱伝導率及び曲げ強度試験結果
そこで、骨材として着目したアルミナを用いてコンクリートを製造することにした。

熱伝導率の大きい骨材を使用

コンクリートの標準配合は、新潟太平洋生コン（株）工場（以下、舗装材であるコンクリートの熱伝導率を向上することができれ「工場」と呼ぶ）で品質確認及び出荷実績のある「早期交通開放型

ば、放熱能力の向上に伴い、既存のロードヒーティング技術の適コンクリート舗装（1DAY PAVE）」の配合を基本とし、道路設計用範囲の拡大や省エネルギー化に資すると考える。

で定められている設計基準曲げ強度4.50N/mm2を保証するもそこで、舗装材であるコンクリートの骨材として、化学的に安のとした（水セメント比35％、細骨材率s/a＝42％、単位セメン

定かつ高い熱伝導性を有する酸化アルミニウム（Al2O3）（以下ト量C＝471kg/m3）。使用するセメントの種類は早強ポルトラ「アルミナ」と呼ぶ）に着目した。

ンドセメント（太平洋セメント（株）社製）とし、骨材は工場で通常汎用的なアルミナは、資源的に埋蔵量が豊富なボーキサイトを原料に、抽出精製されており、安価に大量生産できることから産業分野で広く使用されている。
特性として、高融点で耐食性、絶縁性、耐摩耗性に優れていることから、ファインセラミックスの基本的な素材として絶縁碍がいし使用しているコンクリート用骨材を使用した。
また、アルミナについては、日本軽金属（株）社製のアルミナ「36W/m℃（25℃）」を使用した。
アルミナの粒度については、標準配合で使用した骨材と同等になるよう調整したものを使用した。

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基本となる工場の配合をNo.1とし、アルミナ骨材の効果「No.1」の標準配合と比べて、骨材をすべてアルミナに置換しを最大限見極めるために図―1で示した置換率（混入率）にた「No.2」の配合の熱伝導率は、従来の天然骨材ではありえない応じた 6 ケースとした。

「6.08」W/m℃という非常に高い値が得られた。
また、各ケースの材齢7日での曲げ強度試験（JIS A 1106）
結果と標準配合に対する強度比の結果を表－2に示す。
表－2 曲げ強度試験結果表No.

曲げ強度 標準配合に対アルミナ混入置換概要

N/mm2する強度比

体積率％17.171.00029.121.2764.0

細骨材 100％・粗骨材 100％

39.301.3026.9

細骨材 100％・粗骨材 0％48.941.2537.1

細骨材

58.57

1.2032.1

細骨材 50％・粗骨材 50％

68.58

1.2012.8

細骨材 20％・粗骨材 20％

標準配合

図－1 各ケースの置換（混入）率図
0％・粗骨材 100％

No1： 0：0 標準配合 置換なし
No2： 100：100 全量置換
No3： 100：0 細骨材全量置換
No4： 0：100 粗骨材全量置換

曲げ強度の増加について

No5： 50：50 両骨材50％置換

各配合とも標準配合と比べて約1.2倍以上の曲げ強度を確認

No6： 20：20 両骨材20％置換
写真ー2は、各ケースの熱伝導率を測定するためのサンプルでできたため、強度面においては問題なしと推測する。
これについて、標準配合と強度比が最大だったNo.3の破断面のある。
各ケースの熱伝導率試験の結果を表－1に示す。

写真を示す。曲げ強度の増加の要因として、アルミナ骨材の表面の形状（微細な凹凸がある）により、セメントペーストやモルタルとの付着力は工場で使用している天然骨材と比較して高いことが推測される。

写真－3No1（標準配合）：砕石粗骨材が割れることなく、そのまま残ってい写真－2 熱伝導測定用サンプル（直径 5cm の八角形、厚さ 3cm）
左から No.1・２、右端は No.６

写真－4

表－1 熱伝導率試験結果表
No.

る

No3:砕石

熱伝導率

アルミナ混入

置換概要

W/m℃

体積率％

12.02026.0864.0

細骨材 100％・粗骨材 100％

33.43

26.9

細骨材 100％・粗骨材 0％

44.64

37.1

細骨材

53.77

32.1

細骨材50％・粗骨材 50％たアルミナコンクリートを、35cm×35cm×12cm（B×W×H）

62.4312.8

細骨材20％・粗骨材 20％で成形し、屋外環境で暴露試験を行っている（写真－5）

粗骨材が割れているも標準配合のもある

0％・粗骨材 100％

なお、耐久性、耐候性を調べる為に、試験練りで練り混ぜられ2021.11

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表－3 アルミナ混入体積率と熱伝導率表
X：アルミナ

Z：測定した Y：相関式 1 に誤差（％）

混入体積率

熱伝導率

よる熱伝導率 100×（Z－Y）/Y（％）（W/m℃）（W/m℃）

A 配合：（w/c ＝ 43.8％）

3.0

2.222.21＋ 0.5

B 配合：（w/c ＝ 58.3％）

6.0

2.222.39－ 7.1

C 配合：（w/c ＝ 35％）

6.3

2.432.41＋ 0.8

D 配合：（w/c ＝ 35％）

28.5

3.843.78＋ 1.6

E 配合：（w/c ＝ 35％）

48.5

4.93

5.02

－ 1.8

各配合

B配合の誤差が－7.1％と大きな数値であったことは、水セメ
写真－5 屋外暴露試験状況（撮影日2021年8月2日）※ 写真右は砂、砂利の100％を置換、写真左は砂、砂利の50％を置換したもの1年9か月経過したが、目視ではコンクリート表面には変化が見られない

ント比が大きく、熱伝導率の小さい水の占める割合が大きいことが影響したものと推測する。一方、その他のケースは概ね、相関式に合致していると言える。
以上のことから、アルミナの混入体積率を変えることで、ある一定の範囲（熱伝導率2～6）でコンクリートの熱伝導率をコント

熱伝導率のコントロールについて熱伝導率の増加について各ケースの場合のアルミナ混入体積率と熱伝導率の関係を次頁図－2に整理した。

ロールできるものと推測できる。
このことは、路面融雪技術の高熱伝導機能舗装材として、より厳密に設計することができることにつながり、未利用熱エネルギ
ー活用の適用範囲の拡大や省エネ化に繋がるものと思う。
なお、各地域で使用されている天然骨材が異なることから、実際の設計にあたっては、相関式を作成して設計する必要がある。

熱伝導率の向上がロードヒーティングの設計に及ぼす効果についての考察
熱伝導率をコントロールすることができるが、アルミナの価格（工場渡し）が従来の骨材と比べて、200～300円/kgと高価（推定値）であるため、舗装材そのものはコストが高くなるという課題がある。
図－2 アルミナ混入体積率と熱伝導率の関係図

各配合の「熱伝導率」と、各々の配合で天然骨材と置き換えたアルミナの「混入体積率」には、図―2に示す通りアルミナの粒径の大小に関係なく比例関係があるように見える。
式－1は、熱伝導率とアルミナ混入体積率の相関式である。

この章の考察では、前段で舗装材のコストは高くなるが、その他の採熱設備などのコストが安くなることによって、全体最適な設計が可能となることを。
後段では、低温度の未利用熱エネルギーの利用拡大に資するために、高熱伝導舗装が下水熱を利用した融雪技術において有効であることを示していきたい。

熱伝導率（W/m℃）＝0.0618（W/m℃/％）×
アルミナ混入体積率（％）＋2.02（W/m℃） ……… 式－1

令和3年6月23日に国土技術政策総合研究所が、「下水の熱を利用した車道融雪技術を開発～省エネ・低コストな車道融雪技術を実現～」と題して、「ヒートポンプレスで低LCC と高COPをまた、この試験後にアルミナの粒度を変えたものを使用して、様々な置換割合で製造したものについて熱伝導率の測定を行った。その結果を表－3に示す。

実現する下水熱融雪システム」の導入ガイドライン（案）「以下、ガイドラインという」を策定し公開した。
本技術は、高い熱伝導性能を持つ採熱管や舗装等を利用することで、ヒートポンプ等の熱を増幅する機器を使用せず、下水から回収した下水熱だけを用いる事により、従来よりも省エネ・低コストで車道

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融雪を可能とする技術です。実証の結果、従来技術である電熱ヒー

なお、図―3は放熱管と路面の位置関係を表している。

ター式と比べると、エネルギー消費量が約93％削減するとともに、式－2は、舗装体の熱伝導率λが大きくなると放熱管平均通総費用（年価換算値）は約14％削減すると試算されました。この新たな技術の導入により、都市部において従来よりも省エネ・低コストな車道融雪が可能となります。
ガイドライン公開時の記者発表資料を加工して作成

水温度〒が減少することを表している。
また、放熱管往き温度Taと放熱管還り温度Tbは、次のような関係がある。
Ta＝〒 （放熱管平均通水温度）＋1/2・⊿ｔ1 （放熱による温度低下）＋⊿ｔ2 （送水管からの温度低下）

そこで、このガイドラインで示されている新たな技術を適用して、考察を進める。
まず、この技術に適用されている高熱性能舗装としての材質

Tb＝ 〒－1/2・⊿ｔ1 なお、⊿ｔ1、⊿ｔ2とも舗装体の熱伝導率とは無関係である。
また、採熱管敷設延長は、式―3で求められる。

として、「①熱伝導率を2.1W/m℃以上」（ガイドラインでは、骨材として熱伝導率が高い硅石・珪砂を採用して、2.4 W/m℃と従来技術の中央値である1.6W/m℃より40％向上する結果が得…式－3られている）「②曲げ強度を対象道路において要求される性能をQ：全体必要熱量（W） N：採熱管本数（本）満たすこと」などが規定されている。このことに対して、これまで

D：採熱管外径（m）U：総括熱伝達係数（W/m2℃）示してきた本研究成果によって、①②とも規定条件を満たしていT：下水温度（℃）

ると言える。
考察にあたってはガイドラインを参照して、熱伝導率が関係する箇所について説明を行う。
熱伝導率が用いられる設計の個所は、「路面消・融雪施設等設

ガイドラインには、導入検討例として、新潟市において実証研究施設を設置した際の検討例が掲載されている。
この事例をもとに全体最適な設計について考察を行うとともに、ヒートポンプレスでの下水熱利用の困難な地域である北海道計要領設計要領」（以下、「要領」と呼ぶ）から放熱管平均通水温を想定して、その適用性について考察を行う。

度〒の式－2の個所である。

（1）新潟市の事例の検討及び考察
・融雪対象面積：200m2
・単位面積当たり必要熱量q：123W/m2…式－2

・上部放熱量qu：110.68W/m2 ・総必要熱量24,100W/m2

qu： 上部放熱量（熱効率を考慮しない融雪または凍結防止・熱伝導率2.1W/m℃ ・放熱管の種類及び口径：SUS15Aに必要な熱量：W/m2）

・放熱ユニット面積15m2以内 ・放熱管設置間隔：150mm

L1：放熱管中心から路面までの最長距離（m）

・管内流速及び送水量：0.7m/s ・下水温度8.0℃

L2：放熱管中心から路面までの最短距離（m）

・舗装版厚：280mmなどとなっている。

λ：舗装体の熱伝導率（W/m℃）
q： 必要熱量W/m2、a´：ユニット面積m2、λp：放熱管熱伝導率

図―4はコンクリート舗装における放熱管などの敷設位置を表している。

W/m℃、d₀：放熱管外形m、d1：放熱管内径m、ｌ：放熱管延長ｍ
Tm：路面温度（0℃）

図－4 コンクリート舗装厚28cmでのパネル構成例
出典：ガイドラインより

また、熱伝導率を2.1～6の間で変化させた場合の各種数値を表－4に、熱伝導率と採熱管延長の関係を図―5に示す。
図－3 放熱管と舗装体、路面（出典：要領より）

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表－4 熱伝導率と放熱管往き・還り温度と採熱管延長

前掲図－6より、高熱性能舗装の熱伝導率が、3W/m℃付近（太字で斜字は、ガイドライン掲載事例）において「採熱管設置費用＋アルミナ費用」が最小となり、検討

熱伝導率 λ 放熱管往き温度 放熱管還り温度 採熱管延長例（2.1W/m℃）よりもコスト縮減が図れるものと推測され、それ（W/m℃） T（a ℃）

以上の熱伝導率の向上はオーバースペックとなることを示してTb（℃）

L（m）

いる。

2.16.84

4.08

92.2

2.3

6.38

3.6275.4

2.46.18

3.4270（1）の新潟市の事例を参考にして、北海道の道央地区を想定し2.5

5.99

3.2365.4て同様の検討を行う。下線部は、新潟市の事例の場合から変更し35.24

2.4852.5たものである。

44.31

1.5542.3・融雪対象面積：200m2

53.75

0.9937.9・単位面積当たり必要熱量q：250W/m（2 道央地区）

63.38

0.6235.5・上部放熱量qu：225W/m2（2）北海道での検討及び考察

・総必要熱量50,000W/m2「新潟市」

・放熱管の種類及び口径：SUS15A
・ 放熱ユニット面積12. 5m2以内 熱源水の放熱による温度低下を5度以内にしたため・放熱管設置間隔：150mm・管内流速及び送水量：0.7m/s
・下水温度12℃（推定値）・舗装版厚：280mmなどとする
熱伝導率を1.6～6の間で変化させた場合の各種数値を表－5に、熱伝導率と採熱管延長の関係を図－7に示す。
「北海道」
図－5 高熱伝導Coの熱伝導率と採熱管延長

表－5 熱伝導率と放熱管往き・還り温度と採熱管延長

図－5より、熱伝導率が３W/m℃付近までは採熱管延長の減

熱伝導率 λ放熱管往き温度 放熱管還り温度 採熱管延長

少率が大きく、それ以上になると減少率が小さくなることがわか(W/m℃)

T（a ℃）

る。

Tb（℃）

L(m)

1.6

16.84

11.92-

2.4

12.1

7.18-

2.5

11.72

6.81

257.9

2.75

10.9

5.98

149.8

310.215.29116.5

費用の関係を表している。

48.32

3.474.8

「新潟市」

57.18

2.26

626

6.42

1.555.7

そこで、ヒートポンプレスにおいて、建設費に占める割合が多いとされる採熱管費用に着目して、採熱管設置費用（材工共）を270千円/m（推定値）、熱伝導率を1W/m℃上げるための高熱性能舗装材のアルミナ費用をプラス20千円/m2（推定値）として経済性を検討する。図－6は、熱伝導率と採熱管及びアルミナの「北海道」図－6 熱伝導率と採熱管費用＋アルミナ費用

図－7 高熱伝導Coの熱伝導率と採熱管延長

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おわりに

表－5より、熱伝導率1.6～2.4W/m℃の範囲では12℃の下水熱の活用ができないが、熱伝導率2.5W/m℃以上にすること

このように、部分最適ではなく全体最適な設計として、路面にによって、単位面積当たり必要熱量ｑ:250w/m2の条件をクリ

熱を伝える舗装材に、価格は高いが品質が安定している工業製アできることがわかる。

品であるアルミナを骨材として用いることで、建設コストの低減

また、図－7より、熱伝導率が4W/m℃付近までは採熱管延長や省エネ化が図れるものと考える。また、これまでヒートポンプレの減少率が大きく、それ以上になると減少率が小さくなることがスが導入できなかった地域において可能となり、未利用熱エネルわかる。図－8は、熱伝導率と採熱管及びアルミナの費用の関係

ギーの利用拡大により、再生エネルギー活用地域の拡大に繋がを表している。

るケースもあるものと考える。

「北海道」

この研究が、持続可能な社会の発展に寄与できれば幸いである。
《参考文献》「令和2年度北陸地方整備局事業研究発表会」【美寺寿人・五十嵐祐司・佐伯竜彦・上石勲「高熱伝導コンクリートに関する研究」】
国土技術政策総合研究所資料 第1158号2021年3月 BDASH
プロジェクトNO.35 ヒートポンプレスで低LCCと高COPを実現する下水熱融雪システム導入ガイドライン（案）

図－8 熱伝導率と採熱管費用＋アルミナ費用

図－8より、高熱性能舗装の熱伝導率が、4W/m℃付近において「採熱管設置費用＋アルミナ費用」が最小になると推測される。それ以上の熱伝導率の向上はオーバースペックとなることを示している。
しかし、表－5から熱伝導率が6W/m℃の場合に放熱管往き温度が7℃以下になる。このことから、7℃付近の低温度の熱エネルギーの利用も可能となり、北海道や厳寒多雪地域などでのアルミナを使用した高熱伝導コンクリートのポテンシャルは高いものと考える。

本論文に関する問い合わせ先
東邦産業株式会社（超高熱伝導舗装研究会）
美寺寿人（MITERA HISATO）〒951-8124 新潟市中央区医学町通 2 番町 10 番地 1
e-mail:hisato@tohos.co.jp