共同研究報告書


研究区分 一般研究

研究課題

 熱収支による道路雪氷の性状変化と路面のすべり摩擦係数の予測
新規・継続の別 新規
研究代表者／所属 福井大学工学部
研究代表者／職名 教授
研究代表者／氏名 福原輝幸

研究分担者／氏名／所属／職名
　
氏　　名
所　　属
職　　名

1

 渡邊洋 福井大学工学部 特別研究員

2

 石川信敬 北大低温研

3

 藤本明宏 福井大学大学院工学研究科 博士後期課程

研究目的 路面上に降り積もった道路雪氷は自然積雪に比して、極めて複雑な性状変化を辿る。自然積雪の性状変化は主に気象変化に起因するが、道路雪氷は気象の影響に加え、道路構造（橋梁道路、盛土道路、トンネル坑口付近など）、車両通過による熱的・物理的な影響、さらには凍結防止剤の散布に伴う化学的な影響など、影響因子は多岐に渡る。
本研究の目的は、道路雪氷の性状変化を模倣する数値シミュレーションモデルの構築にあり、これは道路雪氷の熱収支、水収支、氷収支、塩収支に係わる物理現象を忠実に再現することで現実化される。さらに、この性状変化に伴って変化する路面の危険性をすべり摩擦係数μで指標化することを試みる。
雪密度と接触熱抵抗の関係　質量含氷率と接触熱抵抗の関係　体積含空率と接触熱抵抗の関係
研究内容・成果 本研究は「1．数値モデルの構築」「2．野外での熱収支観測および雪氷性状と路面のすべり摩擦係数の観測」「3．室内実験・野外実験で得た資料の物性分析」の3つに計画が大別される。
本年度は上記1の数値モデルの構築に着目し、特に舗装と雪氷層間の移動する熱（舗装熱）の解明に取り組んだ。
舗装と雪氷層との界面での接触状態は複雑であり，舗装と雪氷層間の接触熱抵抗は，雪氷状態によって異なる．従って，舗装熱を正確に評価するためには，雪氷物性と接触熱抵抗の関係を調べる必要がある．
そこで，本研究では乾燥積雪および氷板路面で定常伝熱実験を，湿潤およびシャーベット路面で非定常伝熱実験を行い，舗装熱フラックスの評価方法を示すとともに，舗装と雪氷層の接触熱抵抗を室内実験と伝熱解析により求めた．これを基に，接触熱抵抗に及ぼす雪氷物性の影響を調べた．
以下に，得られた知見を列挙する．
（1）雪密度が増加するにつれて，乾燥雪路面の接触熱抵抗は指数関数的に減少する（図1参照）．
（2）乾燥雪路面における舗装熱は，氷板路面の1〜6%程度となる．
（3）本実験条件に関する限り，シャーベット路面の接触熱抵抗は，質量含氷率が0.6以下では湿潤路面の値（1.1×10-3m2K/W）と変わらないが，0.6以上になると非線形的に増加する（図2参照）．
（4）（3）に起因して，シャーベット路面における舗装熱は，質量含氷率が0.6以上で急減し，例えば質量含氷率が0.8では湿潤路面の30%程度となる．
（5）雪氷状態に係らず，接触熱抵抗は体積含空率の増加に伴って指数関数的に増大する（図3参照）．
以上より，接触熱抵抗に及ぼす雪氷物性の影響は無視し難いことが示され，舗装熱の定量的評価が可能となった．
雪密度と接触熱抵抗の関係　質量含氷率と接触熱抵抗の関係　体積含空率と接触熱抵抗の関係
成果となる論文・学会発表等