経年劣化による改質バインダおよび改質アスコンの性状変化に関する基礎的研究
交通工学研究室

大久保美里

指導教員

1．はじめにアスファルト舗装は屋外の自然環境下に長期

丸山暉彦

表‑1 使用バインダおよびその特徴
バインダ

特徴

間曝露されることにより，アスファルトコンクリ

ストレートアスファルト60/80 一般的な舗装に最も使用されている．

ート（以下，アスコン）中のアスファルトバイン

改質アスファルトストアス60/80にSBS ※を添加したもの．
Ⅱ型
耐摩耗，耐流動，滑り止めに優れている．
超重交通用改質 ストアス80/100にSBS※，剥離防止剤を添加したもの．
アスファルト 改質Ⅱ型よりも耐流動，耐摩耗性に優れている．
※SBS（ｽﾁﾚﾝ･ﾌﾞﾀﾚﾝ・ｽﾁﾚﾝﾌﾞﾛｯｸ共重合体）＝熱可塑性エラストマー

ダ（以下，バインダ）が時間の経過と共に変化する．これを経年劣化と称し，経年劣化はアスコンの長期供用性や耐久性に大きく影響を及ぼすものと考えられている．このため，舗装の長寿命化

スコンの性状との関連性，実用的な促進劣化方法を目指すにあたっては，設計法や評価法に経年劣等，経年劣化に対する基礎的事項が明らかになっ化による影響を考慮することが必要である．しかていない．また，ストアスに関しては以前からいしながら，我が国の配合設計法においては，経年くつかの研究機関で検討されているが，改質バイ

劣化によるアスコンやバインダの性状変化に対ンダは包括的な知見が未だ明らかにされていなする評価や対策が具体的に行われておらず，バイい．

ンダ種類や自然環境条件の違いに対する経年劣以上のことより，本研究では経年劣化に対する化のメカニズムの差異が合理的に反映されてい基礎的知見を得るために，経年劣化によるバインないものとなっている．

ダの化学的，物理的性状，およびアスコンの物理

また，我が国のアスファルト舗装材料の現状と的性状の変化に関して，また，これらの関連性にして，舗装の耐久性を向上させるために改質アスついて評価することを目的とした．バインダの違ファルトバインダ（以下，改質バインダ）の使用いを考慮するため，改質バインダとストアスを比が年々増加している．昨年度までの本学の研究に較して，改質バインダおよび改質アスコンに関すおいて，改質バインダとストレートアスファルトる劣化特性について明確化した．また，同時に促（以下，ストアス）を用いたアスコンの耐久性を進劣化方法に対する知見も得た．

室内試験に基づいて比較したところ，促進劣化を施したもの，施していないものとも改質バインダ

2．評価方法を用いたアスコン（以下，改質アスコン）はスト

本研究では，表‑1 に示すようにストアス 1 種類

アスを用いたものよりも耐久性がかなり優れてと改質バインダ 2 種類（改質アスファルトⅡ型，いることが明らかとなった．しかしながら，強制超重交通用改質アスファルト）を用いて密粒度ア加熱による促進劣化を施したアスコンの物理的スコン（13）を作製して，供用後の経年劣化を再性状のみを評価しているため，経年劣化によって現するために促進劣化を施した．その後，促進劣バインダ性状が変化するメカニズム，それらとア化を施したアスコン（以下，劣化アスコン），お表‑2 各試験材料の試験項目

よび劣化を施さない新規のアスコン（以下，新規アスコン）から，アブソン抽出法にてバインダを回収した．そして，劣化アスコンおよび回収バインダに対して表‑2 に示す試験を実施して，経年劣試験材料

試 験 項 目アスコン

繰返し4点曲げ試験
アスファルト成分分析試験（イアトロスキャン）
針入度試験，軟化点試験，伸度試験
タフネス・テナシティ試験
ダイナミックシェアレオメータ試験

回収バインダ化によるバインダの化学的・物理的性状の変化，およびアスコンの物理的性状の変化について 評

1)

表‑3 バインダ4 成分の特徴価した．以下に促進劣化方法，および評価方法の詳細を記す．

1）促進劣化方法①恒温槽による方法

組成分

観

構成物質

分子量飽和分無色／淡黄色の澄んだ液体物質

パラフィンおよびナフテン

300〜2000

芳香族分

赤褐色で粘りのある液体

芳香族の小さな集合

300〜2000

レジン

3 種類のバインダを使用し，それぞれ作製した
密粒度アスコンに対して，アスコン表面からの劣外アスファルテン暗褐色で粘りのある 縮合した芳香固体または半固体 族環構造

500〜50000

暗褐色，黒褐色の固体粉末

1000〜100000

縮合した環構
造の層状構造化を再現するために，120℃に保持した恒温槽内に締め固めたアスコンを型枠ごと放置して加熱または 60 時間実施した．試験時間 20 時間の条件

強制劣化を施した．放置期間は 0 日，つまり劣化は，供用年数約 5 年の劣化を再現するとされていなし（以下，新規）と，4 日間， 8 日間の 3 とおる．なお，使用したバインダはストアスと改質Ⅱりである．バインダ回収用のアスコン の寸法は型の 2 種類であった．

300×300×50mm で，転圧方向と平行に上下両端20mm 部分をカットしたものである．
②SHRP による方法（バインダのみ）

2）バインダの化学的性状の評価
回収 バインダに 対し て， 薄膜ク ロ マ ト分離

SHRP による促進劣化は，上記の高温槽による（TLC）/水素イオン検出器（FID）を組み合わせ促進劣化における バインダ性状と劣化程度を比た装置（イアトロスキャン）によってバインダ組較するために実施した．SHRP（Strategic Highway

成成分の分析試験を実施した．これより，バインResearch Program）とは米国の新道路研究計画のこダ中に含まれる 4 成分（飽和分，芳香族分，レジとをいう．米国の設計法の一環として長期供用性ン，アスファルテン）の劣化に伴う含有量の変化を評価するために実施されている，回転式薄膜加を評価した．表‑3 に 4 成分の特徴を示す．なお，

熱試験（RTFOT：Rolling Thin Film Over Test）と分子量が高くなるほど，粘度，比重が高くなると加圧劣化試験（PAV：Pressurized Ag ing Vessel）にされている 1 ）．

よってバインダに促進劣化を施した．試験条件は，RTFOT のみ，および RTFOT 後の試料に PAV を施

3）バインダの物理的性状の評価す方法（2 条件）の計 3 条件であった．RTFOT は回収バインダに対してバインダのコンシステ

試験温度 163℃，試験時間 85 分の条件とした．こンシーおよび把握力，粘結力を評価するために，

れはプラントでの混合物製造時 の劣化に相当す

従来からの評価試験として，針入度，軟化点，伸る．また，PAV は RTFOT 終了後の試料を用いて度試験，およびタフネス・テナシティ試験を実施

圧力 2.1MPa（空気），温度 100℃の条件で 20 時間，した．これらの試験は全て舗装試験法便覧に準拠

複素弾性率 G*=σ0/γ0
損失正接 tanδ=G"/G'
ここに，σ0：最大応力γ0：最大ひずみ
G"：損失弾性率（粘性）=（σ0/γ0）・sinδ
G'：貯蔵弾性率（弾性）=（σ0/γ0）・cosδδ：位相差する．さらに，バインダの動的粘弾性状を評価するために，SHRP の新しい評価方法であるダイナ25mm

ミックシェアレオメータ（DSR）試験を実施した．
試料1mm

評価因子はバインダの変形抵抗性を示す複素弾性率 G*，粘性的傾向の度合いを示す損失正接 tanδとした．これらの指標は図‑1 に示すように，2つの平行円盤状に試料を挟み込み，回転方向に一図‑1 DSR測定部の概要および評価指標

定周波数で振動させたときの応力σ0 とひずみγ0により求められる．試験条件として，ひずみは 1％，

表‑4 推定した供用年数と各促進劣化条件の対応

プレートの直径はφ25mm，ギャップ 1mm，温度供用年数

0年

SHRP

RTFOTのみ―

恒温槽

新規4daysは 25℃，周波数は 10rad/s とした．この他，温度

2〜3年

4〜5年

6年以降

R+PAV(20h) R+PAV(60h)

8days

―

または周波数を変化させた場合についても評価した．
ストアス

4）アスコンの物理的性状の評価
劣化アスコン（4 日および 8 日間）に対してアスコンの耐久性や強度，および破壊時スティフネ

新規 3.4

53.1

28.5

15.0

4days 3.048.334.2

14.5

8days 3.2

41.5

39.815.5

スを評価するために 2 点支持 2 点載荷のひずみ制御方式による繰返し 4 点曲げ試験を実施した．試

0%

20%

40%

60%

80%

100%

改質Ⅱ型

験温度は-10℃と 15℃の 2 条件であり，設定ひず
新規 3.1

58.1

21.9

16.9

波数は 5Hz で，供試体寸法は 40×40×400mm で4days 4.5

54.0

24.1

17.4あった．また，昨年度に行われた試験温度 0℃の8days 3.851.9

26.617.7

みは 200μ〜500μの範囲で 3 水準とした．載荷周劣化アスコンの結果

2），および試験温度-10℃，0℃，0%

20%

40%

5℃，15℃の新規アスコンの結果 2） に関しても今年度の結果に加えて評価した．

5）2 種類の促進劣化方法におけるバインダ性状の劣化程度の比較
恒温槽による方法，および SHRP による方法によって促進劣化を施したバインダの性状（針入度，軟化点，伸度，タフネス・テナシティ）に関して，60%

80%

100%

超重交通用
新規 3.355.8

21.0

19.9

4days 3.855.0

22.7

18.5

8days 3.051.7

26.7

18.6

0%

飽和分

20%

40%

芳香族分

60%

レジン

80%

100%

アスファルテン

図‑2 劣化に伴う各種バインダの組成成分含有量の変化

劣化程度の差異を評価した．表‑4 に示すように，各促進劣化方法とも劣化条件を 3 条件設定して，進劣化に相当する供用年数は，アスコンの屋外曝それぞれ実舗装の供用年数に置き換えて，同一時露試験による回収バインダ（実舗装と同等の針入間軸上において比較した．なお，恒温槽による促度を示し，実舗装の供用年数に相当する）の劣化

3.0E+0663×10

温層による促進劣化による回収バインダの針入度低下率，および軟化点上昇率を比較することによって，それぞれ仮定した．

4．試験結果と考察

複素弾性率G*（Pa)に伴う針入度低下率，および軟化点上昇率と，高62.0E+06
2×1061.0E+06
1×1000.0E+00

新規1）バインダの化学的性状の変化示す．3 種類のバインダに共通して，劣化に伴う飽和分の変化はほとんどみられなかったが，芳香族分の減少，レジンの増加，わずかであるがアスファルテン分の増加が認められた．これより，劣化によって 高分子成分が増加して高分子化することがわかる．また，各成分の変化の程度は，各種バインダ とも芳香族分 とレジンの変化が顕著

4days

3損失正接 tanδ

図‑2 に各種バインダの組成成分の分析結果を

ストアス
改質Ⅱ型
超重交通用

8days
ストアス
改質Ⅱ型
超重交通用

210新規

4days

8days

図‑3 各種バインダの劣化に伴う複素弾性率G*および損失正接 tanδの推移であった．これらの変化量はストアスが最も大きく，改質Ⅱ型および超重交通用改質アスファルトいという結果が得られた．これにより，改質バイは同程度でストアスよりも 9〜15％ほど小さい．

ンダは，自身がもつ弾性的な性状はほとんど変化

したがって，改質バインダは劣化に伴う化学的性せず，温度による依存性も小さいといえる．

状の変化が小さいといえる．
3）バインダの組成成分と物理的性状の関連性
2）バインダの物理的性状以上までの検討により，劣化の進行に伴う改質従来の試験により各種バインダの物理的性状バインダの組成成分の変化，およびバインダの物を評価したところ，全てのバインダ性状において理性状の変化がストアス よりも小さいことが明ストアスよりも改質バインダのほうが コンシスらかとなった．バインダ組成成分の分析試験結果

テンシー，把握力，粘結力に優れ，耐久性が高いにより，劣化に伴いレジンやアスファルテンとい傾向にあった．また，図‑3 に示すように，DSRった高分子材料が増加して高分子化することが試験によって，バインダの変形抵抗性を示す G*確認された．また，既往の研究 3 ） により，劣化にと粘性傾向を示す tanδの劣化に伴う推移を比較

よって高分子材料である改質材（SBS）が分子切したところ，ストアスはいずれの変化も大きく，断し，低分子化すると報告されている．したがっ

粘性的な性状から弾性的な性状に移行する程度て，改質バインダの劣化に伴う性状の変化が小さが高い．しかし，改質バインダの場合はその程度いのは，ベースアスファルトであるストアスの劣がかなり低いことが確認される．また，ストアス化に伴う高分子化と同時に，SBS の低分子化が生において変形抵抗性，粘性の変化の大きかった低じるためと考えられる．これより，改質バインダ周波数域（実舗装でいう渋滞路線），および高温の劣化の進行に伴う性状の変化が小さいのは，組域の場合においても，改質バインダの変化は小さ成の変化が小さいためという化学的考察からも

また，各組成成分の変化とバインダ性状の変化に対して相関関係を調べたところ，分子量が比較的高く，バインダの粘度と関わりのある組成成分のレジンと物理性状の損失正接 tanδ，また，アスファルテンと針入度指数 PI の相関係数が比較的高く，0.9 程度という結果が得られた．改質バ
インダに含まれている SBS は高分子材料であり，14破壊回数の 比率（倍）説明される．

12ストアス

10改質Ⅱ型
超重交通用

811.564.8
3.6

4211.0

1.0

1.5

3.2
1.0

1.0

劣化日数4日

劣化日数8 日0新規

図‑4 15℃，400μにおけるストアスを基準（1.0）とした場合の改質アスコンの破壊回数の比率

その大部分がレジンやアスファルテン 中に含まれているとされていることからも，SBS は改質バ条件において改質アスコンのほうがストアス をインダの粘性に大きく関わっているものと考え用いたアスコンよりもひずみの 減少にともなうられる．また，DSR 試験の評価因子はバインダの破壊応力，すなわち強度の低下の程度が小さいこ

粘性的な性状を評価し，レジンやアスファルテンとが認められた．

が増加すると，バインダの粘性が低下する傾向にある．以上の検討により，分子量が高いほどバイ

5）バインダ性状とアスコン性状の関連性ンダの粘度が高くなるという知見に関連し，弾性超重交通用改質アスファルトを用いたアスコ的な性質を示す改質バインダの物理的，化学的性

ンの破壊回数，破壊時スティフネスは DSR 試験

状は，分子量の比較的高い組成成分のレジンと物における複素弾性率 G*，また針入度指数 PI など

理性状の損失正接 tanδ，アスファルテンと針入の評価因子と相関が高い．これより，超重交通用度指数 PI に注目することによって相互に評価で改質アスファルト，また，それを用いたアスコンきるものと予測される．の性状を評価，予測する際には， DSR 試験における評価因子が有用であると考えられる．

4）アスコンの物理的性状

また，15℃〜25℃の常温域において，ストアス

図‑4 に試験温度 15℃，設定ひずみ 400μにおけは劣化に伴い変形抵抗性が増大し，粘性が低下す

る，ストアスを用いたアスコンの破壊回数を基準るが，改質バインダは自身が有する弾性的な性状（1.0）とした場合の改質アスコンの破壊回数の比がほとんど変化しないため，耐久性に優れている．

率を一例として示す．改質アスコンは，いずれのこのため，アスコンの場合においても劣化が進行

劣化条件においてもストアスを用いたアスコン

しても，改質アスコンが元々有する強度を保ち，よりも耐久性が高い傾向にあり，改質Ⅱ型で最高耐久性の低下も小さいといえる．

約 5 倍，超重交通用改質アスファルトで約 11 倍も大きい．また，ストアスを用いたアスコンと改6）2 種類の促進劣化方法におけるバインダ性状の質アスコン の破壊回数の差は高温の条件のほう劣化程度の比較が大きい．超重交通用改質アスファルトを用いた

SHRP の方法により促進劣化を施したバインダ

アスコンは全ての温度条件，劣化日数条件においと，恒温槽による加熱促進劣化を施したアスコンて，ストアスのものよりも耐久性が高いという結から回収したバインダの性状値（針入度，軟化点，果が得られた．また，全ての温度条件，劣化日数伸度，タフネス，テナシティ）を比較した．その30をとおして両者のバインダ性状値，および劣化に伴う変化程度が異なる傾向にあった．特にタフネスは両者の傾向が異なっていた．これは，劣化初タフネス（N･m）

一例として，タフネスの結果を図‑5 に示す．全体

25ストアスの結果

SHRP
恒温槽

201510期の段階にあたる プラントでの混合に相当する

5RTFOT による劣化と室内混合に相当する恒温槽

0RTFOT/新規/4days

R+PAV20ｈ/8days

R+PAV60ｈ/による劣化（新規）の違い，および酸化劣化を考
30

劣化の違いによる酸化の程度の差異といった，両者の劣化の機構の違いによるものと考えられる．
したがって，バインダ性状を SHRP の方法，すなタフネス（N･m）慮した PAV の劣化と熱劣化のみの高温槽による25改質Ⅱ型の結果

SHRP
恒温槽

201510

わち，供用後の劣化程度に対応させるためには，

5

強制的な酸化の促進が必要であると考えられる．

05．まとめ図‑5 各促進劣化方法によるバインダ性状の劣化推移（タフネス）

RTFOT/新規/4days

R+PAV20ｈ/8days

R+PAV60ｈ/

本研究で得られた知見をまとめると，以下のとおりである．

③評価試験，および SHRP の方法による促進劣化①改質バインダは，SBS そのものの効果や SBS のと恒温槽による促進劣化を施したバインダ 性劣化の進行に伴う低分子化によって，組成成分状を比較した結果，本研究における促進劣化方やコンシステンシー，元々有している弾性的な法では酸化の程度が小さいことが明らかとな性状が変化し難く感温性が小さい．これに反映った．このため，供用中の劣化程度に対応させして，アスコンの場合においても，劣化や温度るためには，強制的な酸化の促進が必要であるの上昇に対する強度や耐久性の低下が小さい．と考えられる．

すなわち，改質アスコンの耐久性は長期的にみても優れるといえる．
②改質バインダの化学，物理的性状および改質ア1） 用語の解説「4 大組成分」，ASPHART ，Vol.32 No.163，
pp71-72，1990.

スコンの物性を相互に評価するにあたっては，

2） 斉藤健治：改質アスファルトコンクリートの疲労特

DSR 試験における G*や tanδ，針入度指数 PI

性評価と疲労寿命予測に関する研究，長岡技術科学といった指標が有効である．これらの指標の劣大学修士論文，2005.

化に伴う変化の程度から，バインダの化学，物

3） 村山雅人，菅野宏，川口博：排水性アスファルト混

理性状および改質アスコンの性状の劣化に伴う合物の再生利用に有効な改質添加剤の検討，舗装変化の程度を相互に評価できるものと予測され

39-2，2004.

る．