解 説

積雪寒冷環境が舗装に及ぼす影響について
寒地道路保全チーム

１．はじめに

２．１ 低温時の温度収縮に伴う影響（低温ひび割れ）
物体は温度変化に伴って伸縮する性質を有してお積雪寒冷地においては、低温環境や融雪期の融雪水り、舗装を構成する材料は温度低下時には収縮する。

や凍結融解作用などが道路舗装の損傷に大きな影響を

図－1に示すように、気温の低下に伴い舗装体が温度与えることは従前から認識されてきたところである。

低下する際には収縮ひずみが発生するが、アスファルそのため、積雪寒冷地の舗装を設計・施工するに際しト混合物層は下層の路盤層に摩擦拘束されているたては、これらの積雪寒冷地特有の過酷な条件に耐えうめ、引張の温度応力が発生する。混合物層に生じる温るための技術を開発・適用するなどの配慮がなされて度応力の模式図を図－2に示す。多くの場合、表面付

きた（例えば文献

1），2），3）など）。そして、それらの近が最も温度変化量が大きいため、表面側の温度応力技術を活用して高度経済成長期から現在にかけて膨大が最も大きい。この温度応力が混合物の破壊強度を上な舗装ストックが蓄積されてきた。近年では、新規構回ると、写真－1に示す様な道路の進行方向に対して築から数十年が経過し老朽化した既設舗装への対応が横断方向のほぼ一定間隔のひび割れが発生し、これを重要な課題となっており、既設舗装の維持修繕や延命低温ひび割れと呼んでいる。このひび割れは経年的に化を目的とした、様々な材料や技術での対応の必要性発生本数が増える経過をたどる。図－3には、北海道が高くなっている。積雪寒冷環境下において新材料やの国道における低温ひび割れ発生箇所をプロットして新技術の適用を考える場合には、積雪寒冷環境が舗装あるが、寒冷な地域ほど低温ひび割れが発生しやす体に及ぼす影響を考慮する必要があり、寒冷環境が舗く、凍結指数が1000（℃・日）を超えるような寒さの装に及ぼす影響に関して基本的な情報を今一度踏まえ厳しい道北や道東の内陸部に多く発生している。まておくことが有益であると考えられる。

た、図－4に示す様に、舗装混合物の層厚が薄いほ

そこで本稿では、積雪寒冷環境が舗装に及ぼす影響

ど、低温ひび割れが多く発生する傾向がある。

について基本的な情報を解説するものである。

ᐮẼ
２．積雪寒冷地の地域特性と舗装への影響䜰䝇䝣䜯䝹䝖ᒙ

積雪寒冷地では、冬期から春期にかけて、低温、降雪、積雪、融解などの環境変化に曝されるため、それ཰⦰㊰┙ᒙ

らに起因する積雪寒冷地特有の現象や舗装損傷が発生する。積雪寒冷地の地域特性を整理すると以下の点が図－1

低温ひび割れ発生の模式図挙げられる。
・低温かつ幅広い供用温度域（－35℃から＋60℃程度）
・凍上や融解期の支持力低下
・凍結融解の繰返し、融雪水の滞水や浸透ᗘᛂຊ௬᝿ࡦࡧ๭ࢀ
㛫㝸㸸S௬᝿ࡦࡧ๭ࢀ
఩⨨・積雪量が多く雪氷路面や凍結路面が発生ΰྜ≀ᒙཌ㸸D・除雪やタイヤチェーン等の装着

C0以下に各々の項目が舗装体に及ぼす影響について順C
䏓C

次解説する。
図－250

混合物層に生じる温度応力とひび割れの模式図
寒地土木研究所月報№828

2022年３月

る。ただし一方で、アスファルト混合物にはクリープと応力緩和の性質があるために、脆化点温度よりも高い温度範囲ではひび割れは生じにくい。低温となり脆化点温度を下回ると、クリープや応力緩和をしにくくなるために、温度応力が大きくなり混合物の破壊強度を超えてひび割れを生じやすくなる。
ひとたび発生した低温ひび割れは、その後の温度低下時にはひび割れ幅が開き、温度上昇時には戻るという挙動を示すが、完全には戻りきらずに年々ひび割れ開口幅が広がっていく傾向を示す場合がある。これ
写真－1

は、下面が摩擦拘束されている条件下では、アスファ

低温ひび割れルト混合物は脆化点よりも高い温度域ではクリープして伸張しきらないためと考えられている。ひび割れ開口幅が低温時には開き、完全に戻りきらずに開口が広がっていくケースもあることに留意が必要である。ちなみに低温時には、低温ひび割れ部分に限らず、継ぎ目部や縁石端部などの隙間も開く傾向を示すが、これも温度収縮に伴うものである。ひび割れ部や継ぎ目などからは水分が浸入しやすくなるので、水の浸入を防止することが必要となるが、ひび割れや目地の充填に使用するシール材や目地材も温度収縮することや、アスファルト混合物が他の材料と接合する部分では温度伸縮量に差が生じ、応力やひずみが発生することに留意することも必要である。
図－3

低温ひび割れの発生分布２．２

凍上に伴う影響（凍上ひび割れ）

冬期間には外気温が低下し、舗装体は路面側から冷ⷧ䛔䚷䚷䚷䚷䚷䚷䚷䚷䚷䚷䚷䚷㻭㼟ΰྜ≀ᒙཌ㻌䚷䚷䚷䚷䚷䚷㻌䚷䚷䚷ཌ䛔ప

分を主に下方から吸い上げる形で氷晶（アイスレンズ）が発達して、路面を隆起させるためにひび割れが

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Ⓨ ⏕ ⋡却されていく。その過程で、路床土が凍結する際に水t=୍⯡ⓗ䛺䜰䝇䝣䜯䝹䝖ᒙཌ

発生するものであり、その模式図を図－5に示す。凍上過程を順を追って述べると以下の通りである。①気温の低下に伴い、路面側から冷却されて地盤内に凍結

t=12cm面が形成される。②下方からの水分が凍結面に移動しt=15cm

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t=26cmt=35cm

氷晶が形成され、氷晶が厚く成長する。③凍結面がよӌ7㸺ӌ7

り下方に移動し、新たな氷晶を形成していく。氷晶はӌ7㸺

図－4ӌ7㸺⯒⿦ィ⏬஺㏻㔞㸦ྎ᪥࣭᪉ྥ㸧

土粒子骨格を押し広げる形で成長し隆起を生じる。④混合物層厚と低温ひび割れ発生率の関係4）

これらの繰返しにより、厚い氷晶が幾層も形成され、路面を隆起させひび割れを生じる。

ここで、温度変化1℃当たりの物体の伸縮率を意味

写真－2左には、土中砂利層直下に形成された霜柱する線膨張係数に着目すると、アスファルト混合物の状の氷晶の状況を、写真－2右には室内実験での供試－5線膨張係数は20～30×10 （1/℃）程度である。コン－6体における氷晶形成状況を示す。写真－2右では、クリートの線膨張係数が10×10 （1/℃）程度である

元々の供試体高さが20cmのところ、氷晶の形成によことと比べると、アスファルト混合物の線膨張係数のって高さが15cm増え（凍上率75％に相当）、凍上が方が大きく、温度変化に伴う収縮量が大きいといえ発生している。

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なお、凍上は凍結形態の一種であり、ただ単純に土䐠ᐮẼ䚸෭༷

中の水分が凍るだけではなく、水分を誘引して氷晶を䜰䝇䝣䜯䝹䝖ᒙ෭

形成しながら舗装を押し上げる現象であり、全ての土㊰┙ᒙ
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系材料に生じる現象ではないことに留意が必要である。凍上を支配する主要な要素は、温度、水分、土質の3つであり、3要素がそろうと凍上が発生するとされᆅୗỈ఩ている。換言すれば、いずれか一つ要素が存在しない
䐡䐢

場合には、凍上は発生しない。

㝯㉳䚸䜂䜃๭䜜䛾Ⓨ⏕

水分については、土壌中の間隙水がその場で凍結する場合には、土の体積増加は無視しうる程度のもので෾ୖ෾ୖあり、この場合には氷晶のない均一な凍土が形成され、「コンクリート状凍結」と呼ばれる凍結形態とな෭෭

り凍上は起きない。水単体は凍結時に9％体積膨張するが、土壌中の間隙水は土粒子量に比べて数％～数10

図－5

凍上発生の模式図％程度であり、間隙水がその場で凍結するだけでは凍上を起こすほどの隆起は生じないためで、コンクリー
ト状凍結は一般に粗粒土に現れやすい。
土質については、土の種類や粒度分布などが変われば凍上性は変化する。凍上しやすい土質とは、細粒分の含有率が高いものであり、目安としては0.075mmのふるい目を通過するような細粒分を一定割合以上含む土は凍上性を示し、粒径が小さくなるにつれて凍上性が強くなる。0.075mmのふるい目を通過するような細粒分を含まない材料は凍上しにくい。凍上の3要素のうち、土質による対策が比較的実行しやすいため、凍結する深さに存在する土を非凍上性の材料で置き換える置換工法が対策工法に選ばれることが多い。
凍上によって発生するひび割れの外観は、写真－3

写真－2 凍上の過程で発生する土壌内の氷晶2）より抜粋（左：砂利層直下の氷晶、右：実験時の氷晶：凍上率75％）に示すように、道路の進行方向に対して縦断方向に発生するひび割れである。なお、凍上後に融解する過程
では、土系材料の支持力が低下するので、支持力低下に起因するひび割れの発生が促進されるが、それについては次節で解説する。
２．３

融解に伴う影響（支持力の低下、泥濘化）

前節で述べたような氷晶を形成し凍上した後、気温が上昇して融解する段階になると、土系材料内部の氷晶が融けて、土粒子骨格が緩み水分量が増加（含水比が増加）する状態となるために、舗装体としての支持力が低下する。写真－4には、昭和20年代に撮影された凍上後の融解によって生じたとされる砂利道の泥濘化の状況を示す。路床の軟化または泥濘化の原因を当
写真－3凍上ひび割れ時の文献2）から引用すると、以下に示すa）からe）のとおりであり、凍上が生じた後の融解過程では、顕著な支持力の低下が起こることがある。

52

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a）凍結進行の際の水の移動によって生じた過剰水により含水量が甚だしく大きくなることb）霜柱により土層の組織を分離弛緩すること
c）凍結層の融解過程において残存氷層が恰も遮水層のように働いて排水が不良となること
d）地中の深部と浅い部分との温度差により自由水はむしろ上昇しようとする傾向にあって排水を妨げること。
e）交通荷重によって圧縮や振動をうけ脱水困難な状況になること。
なお、氷晶の形成および凍上が起こっていない、コンクリート状凍結のような場合でも、融解時には程度写真－4の差こそあれ支持力は低下することが知られている。
路盤材料（粗粒系材料）および路床材料（細粒系材料）を実験室内で凍結後に融解させ、その前後の㻯㻮㻾ಖᏑ⋡

CBRやレジリエントモデュラス（弾性係数に相当する材料係数）の低下割合を試験した結果を図－7と図－8に示す。図－7を見ると、融解後には路盤材料は概ね7割程度のCBR保存率となっており、非凍上性の材料である路盤材料でも融解後にはCBR値が3割程度低下することが分かる。図－8を見ると、路床材料はレ融解による砂利道の泥濘化状況2）より抜粋

㻝㻚㻜㻜㻚㻥
㻜㻚㻤㻜㻚㻣㻜㻚㻢㻜㻚㻡㻜㻚㻠㻜㻚㻟㻜㻚㻞㻜㻚㻝㻜㻚㻜ษ㎸◁฼ ษ㎸○▼

ジリエントモデュラス保存比率が5割～9割程度の値となっており、融解によって路床材料も支持力が低下す

図－7ることが分かる。

㻯㼛㼚෌⏕
㻔㻭㻕

㻯㼛㼚෌⏕
㻔㻮㻕

㻯㼛㼚෌⏕
㻔㻯㻕

路盤材料の凍結融解後のCBR保存率

融解に伴って、路盤材料および路床材料の支持力はに表れる。このような融解期の支持力低下は、ひび割れの進行を速める促進要因となり、結果として、写真－5に示すような網目状や亀甲状のひび割れや不陸を生じることにつながる。

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図－8

凍上後の融解時の支持力低下模式図

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



図－6

㹋UಖᏑẚ⋡

床土の含水比が一時的に高くなり支持力の低下が顕著୺ᛂຊ࿴ȟ㸻NSD࡛ィ⟬ࣞࢪ࢚ࣜࣥࢺࣔࢹࣗࣛࢫ㹋U㸦㹋3D㸧

一時的に低下し、特に、氷晶が融解する場合には、路

写真－5♟㉁ᅵ
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༓ṓⅆᒣ⅊
༓ṓ◁㉁ᅵ
༓ṓ

⢓ᛶᅵ
␃ⴌ

路床材料の融解後の支持力低下

融解時の支持力の低下に伴い発生するひび割れ

53

２．４

䛆෾⤖⼥ゎ๓䛇㦵ᮦ

凍結融解作用に伴う影響（混合物の損傷）

厳冬期から融雪期の間、気温および路温は日々変化✵㝽するが、夜間や早朝にマイナス温度であったものが、日中にはプラス温度に変化する日は複数あり、0℃を跨いで温度がプラスとマイナスの間で変化する際には、水分は凍結と融解を繰返す（凍結融解作用）。アỈศ䛜Ꮡᅾ䛩䜛ୗ䛷෾⤖⼥ゎ䜢ཷ䛡䜛䛸䞉䞉䞉

スファルト混合物が融雪水などの水分が存在する条件
下で凍結融解作用を受けると、空隙率が増加し強度低下が生じる5），6）

㦵ᮦなど、耐久性が損なわれ、骨材飛散や✵㝽䛻ᾐධ䛧䛯Ỉ䛜෾⤖䛧䛶⭾ᙇ䞉⼥ゎ䜢⧞㏉䛩ị䛾⭾ᙇ

ひび割れやポットホールに繋がることがある。
水分が存在する条件の下でアスファルト混合物が凍結融解を受けた場合に、混合物内部に起こる変化を図－9および写真－6に模式図と写真で示す。空隙に浸入෾⤖⼥ゎ䛾⧞㏉䛧

した水が凍る際に体積膨張すると考えられ、凍結と融䛆෾⤖⼥ゎᚋ䛇解を繰返すうちに空隙が拡大し、それに伴って安定度✵㝽䛜ᣑ኱㦵ᮦや摩耗抵抗性、骨材飛散抵抗性などが低下するものと推測される。積雪寒冷地で用いられる表層混合物は、凍結融解作用によって悪い影響を受けにくい混合物粒度および配合が採用されており、十分に長年の供用に耐えていると判断される。しかし、どのような混合物であっても、供用後長い時間が経過するなかで凍結融㦵ᮦ

解作用を受け続けると、混合物の強度がある程度もし

㣕ᩓ䠈
✰䛾Ⓨ⏕

くは局部的に低下するのは避けられない。
また、アスファルト混合物は数センチ深さ毎に分けて舗設されるので表層、基層、上層路盤層などの層を形成しており、この層間は通常付着しているものの、境界部には水分が浸入することがあり、凍結融解を繰

図－9

凍結融解作用を受けた混合物の変化模式図

返すことで層間の付着が弱まり、層間ではがれを生じる現象が起こることがあると考えられている。この現象については詳しく調べられておらず、今後の取り組みが必要と考えられる。
２．５

融雪水の影響（融雪水の存在および浸透）

路面や路肩などに堆積した雪が融雪することによっ

写真－6

凍結融解作用を受けた混合物の変状て、舗装体には水分が供給され、滞水など水分が存在する環境が継続することがある。また、ひび割れや継路面の融雪水がひび割れ部からどの程度の量が浸入ぎ目などから、融雪水が舗装体内部に浸入すると考えするのかを把握するため、幅の異なるひび割れを室内られる。アスファルト混合物は水分存在環境下で凍結で曲げ破断によって作成し、ひび割れ部の透水量を測融解を繰返すと強度低下を生じ、路盤材や路床材は含定した結果を図－10に示す。試験を行ったひび割れ

水比が高くなると支持力が低下する傾向を示すことかは、破断面を向かい合わせて万力で締め付けて0.5～ら、融雪水が存在することや舗装体に浸透することは1mm、3mm程度、5mm程度の幅のひび割れとした。

舗装体に影響を及ぼす。

図－10に示すように、ひび割れ幅が3mmを超えると、水分存在環境下での凍結融解によるアスファルト混測定の上限である1400ml/15秒以上の透水性を示し、合物への影響は前節で述べているので、本節では、融ほとんど抵抗なく水が浸透していく状態となってい雪水の浸透の影響について述べる。

る。ひび割れ幅が0.5～1mm程度の時には、透水量は54

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約600ml/15秒となり、ひび割れ幅が3mm以上の場合また、タイヤチェーン等の打撃作用によって、表層に比べると若干浸透しにくくなる。しかし、いずれの混合物を形成する骨材が散逸する現象を骨材飛散また

ひび割れ幅においても、程度の差はあるものの、供給は単純に飛散と言う。なお、前節で示したような凍結された水は浸透していくレベルであると評価できる。

融解の繰返しによって混合物が緩み、そこにスタッド融雪期には、路肩部等に堆積された雪が解け、そのレスタイヤの載荷作用が加わる事によって飛散が生じ融雪水が路面から流入し、さらにひび割れや打ち継ぎることもあるので、飛散はタイヤチェーンによっての目部分から浸入しており、混合物の強度低下や路盤路み引き起こされるものではないことを付言しておく。

床材の支持力低下に影響を及ぼすと考えられる。

供用中の道路では摩耗と骨材飛散は一体的に生じていなお、融雪水とは狭義でいえば、文字通り雪が解けるが、摩耗と骨材飛散は機構が異なり区別される。

た水だけを意味するが、本稿では、融雪期を含む冬期

近年は、スパイクタイヤやタイヤチェーンの装着率間に舗装体に悪影響を及ぼす水を総称したものと位置は少ないものの、依然として装着車両は走行しておづけており、路面への降雪が解けた水、道路脇に堆積り、除雪車プラウの刃などによる摩耗作用もあることしてある雪が解けた水、道路の周辺の雪が解けて道路から、摩耗や骨材飛散への配慮は引き続き必要と考えへ路面や地下から流入した水、冬期間の降雨などを含られる。

んだものとしている。

㏱Ỉ㔞㻔㼙㼘㻛㻝㻡⛊㻕㻝㻢㻜㻜㻝㻠㻜㻜㻝㻞㻜㻜㻝㻜㻜㻜㻤㻜㻜㻢㻜㻜㻠㻜㻜㻞㻜㻜㻜ᖜᑠ㻔㻜㻚㻡䡚㻝㼙㼙㻕ᖜᑠ㻔㻡㼙㼙⛬ᗘ㻕

写真－7

摩耗によるわだち

ひび割れ幅と透水量の関係試験結果
㻝㻜㻜᭱኱ᦶ⪖㔞ᖹᆒ⿦╔⋡䠄➨㻝ḟᣦᐃ䠅⿦╔⋡䠄➨㻞ḟᣦᐃ䠅⿦╔⋡䠄➨㻟ḟᣦᐃ䠅⿦╔⋡䠄➨㻠ḟᣦᐃ䠅⿦╔⋡䠄୺せ㒔ᕷ䠅

タイヤによる影響（摩耗と飛散）

積雪寒冷地では、雪氷路面が形成されすべり摩擦が低下する状況が多いため、車両は対応のためにスタッ䝇䝟䜲䜽䝍䜲䝲⿦╔⋡䠄䠂䠅

㻥㻜

２．６

㻤㻜
㻣㻜

㻞㻜㻝㻤
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㻝㻠㻝㻞㻡㻜

㻝㻜

㻠㻜

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㻞㻜

㻠

混合物が削られる現象が摩耗であり、摩耗が進行する㻝㻜

㻞と写真－7に示すように基層混合物まで露出すること㻜㻜

ドレスタイヤ、スパイクタイヤ、チェーンタイヤなどを選択して装着する。走行車両のタイヤに装着されたスパイクピンやチェーンにより摩耗作用を受け、表層㻿㻡㻟㻿㻡㻠
㻿㻡㻡
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㻴㻝㻝
㻴㻝㻞
㻴㻝㻟

㻢㻜

がある。我が国では、1980年代にスパイクタイヤによる摩耗粉じんが問題となり、1990年に「スパイクタイ᭱኱ᦶ⪖㔞ᖹᆒ䠄㼙㼙䠅

図－10ᖜ୰㻔㻟㼙㼙⛬ᗘ㻕ᖺ䚷䚷ᗘ

図－11

スパイクタイヤ装着率と舗装摩耗量の推移7）

ヤ粉じんの発生の防止に関する法律」が施行され、指定地域内でのスパイクタイヤの使用規制が行われた。

２．７

融解期のポットホール

図－11にはスパイクタイヤ規制前後の各年度における融雪期には、道路舗装において写真－8に示すようスパイクタイヤ装着率と摩耗量の推移を示す。スパイなポットホールの発生が見られる。ポットホールは

クタイヤの使用規制以前はスパイクタイヤ装着率が90

様々ある損傷形態のうちで、道路利用者にとって最も％以上と高く一冬の間の摩耗量は概ね4mm～12mm程視認しやすく、ひとたび発生すると道路利用者の走行度であったものが、使用規制以降は装着率が数％程度性に直接的かつ即時的に影響し、道路管理上も速やかまでに低下し摩耗量も1mm程度と減っている状況にな対応が求められるなど、緊急度の高い損傷形態であある。

る。

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2022年３月 55

積雪寒冷地の舗装には前節までに述べたような様々な影響が及ぶが、ポットホールは、前節までに述べた
低温時の温度収縮、凍上、凍結融解、支持力低下、融雪水の存在と浸透、タイヤの載荷作用を含む複数の要因や現象が経時的に重複複合して発生する側面がある。従って、ポットホールの発生メカニズムや形態を限定的に解説することは適切ではないが、要点を敢えて単純化すると、主要な要素は、①水の存在、②温度変化（凍結融解、ゼロクロッシング）、③荷重の作用の3つであり、これらの要素がひび割れや打継目等の舗装の弱点に作用してポットホールの発生に至ると考えられる。つまり、融雪水が、ひび割れや打継目などの舗装構造の一部から浸入もしくは浸透し、それが気図－12温の変動や日射に伴い凍結や融解を繰返すことで様々な形で舗装体に影響を及ぼすものと整理できる。具体

ポットホールの発生メカニズム一例

３．おわりに的には、舗装体に以下に示すような変化が進行したところに、車両の走行荷重や衝撃荷重が加わることで、ポットホールが発生・進展することとなる。

積雪寒冷環境が舗装に及ぼす影響の主なポイントとして、温度収縮に伴う影響、凍上に伴う影響、融解にa）混合物層の脆弱化（ひび割れの進展、ひび割れ伴う影響、凍結融解作用に伴う影響、融雪水による影周辺の混合物の脆弱化、空隙やすきまの増加、響、タイヤによる影響などを解説した。舗装の設計、アスファルトと骨材の付着の悪化）

施工、維持管理の実務において参考となれば幸いであb）表層と基層の間など、混合物層間の接着力が弱る。

（文責：丸山記美雄、伊藤憲章）

まり、層間ではがれやすくなる
c）路盤や路床が高含水比の状態になり、路盤材や参考文献

路床材が部分的に泥濘化するなどして、支持力が低下する

1） 伊福部宗夫：北海道における道路の凍上・凍結深d）浸入した水が凍結する際に、体積が増加して舗装体内部や層間に隙間を生じさせる
e）路床に氷晶を生じ、凍上や不等沈下を生じさせる

さおよび置換率に関する研究、土木試験所報告、第26号、1962.
2） 久保宏：寒冷地アスファルト舗装の設計に関する研究、土木試験所報告、第76号、1981.

図－12には、融雪期に発生する代表的なポットホー3） 土木学会舗装工学委員会寒冷地舗装小委員会：積ルの発生タイプを表層混合物層中心のもの、混合物層雪寒冷地の舗装、舗装工学ライブラリ6、2011.

全層のものの2タイプに大別し、各々の発生メカニズ

4） 岳本秀人、久保裕一：寒冷地におけるアスファルムを模式図で示した。

ト舗装の構造設計に関する考察、土木学会舗装工学論文集、第8巻、pp.223-231、2003.
5） 久保宏、岩崎信行：アスファルト混合物の凍結融解試験について、土木試験所月、No.287、pp.113、1977.
6） 丸山記美雄、高橋守人、早坂保則：表層用アスファルト混合物の凍結融解作用に対する抵抗性、平成12年度土木学会年次学術講演会、pp.138-139、2000.
7） 丸山記美雄、岳本秀人、安倍隆二：北海道における密粒度アスコン13Fの表層混合物としての適用に関する研究、北海道開発土木研究所月報、No.

写真－856

融雪期に発生したポットホール

611、pp.20-30、2004.
寒地土木研究所月報№828

2022年３月