半円形供試体曲げ試験によるアスコンのき裂進展速度評価法に関する研究
長岡技術科学大学大学院 環境社会基盤工学専攻

尾谷 力

1. はじめにアスファルト舗装における構造上の破壊形態に，ひび割れがある．ひび割れは，アスコン内に生じた微小なき裂の進展によって発生し，徐々に広がり目に見える損傷状況となる．そのため，ひび割れ抵抗性の評価として，き裂が発生するまでの抵抗性や，き裂が発生してから破断するまでの進展過程といったき裂伝播プロセスについて検討することは重要である．
き裂伝播プロセスの評価指標として，き裂進展速度がある．き裂進展速度の評価方法として，曲げ疲
労試験 1)があり，供試体両側面にクラックゲージを設置することで，き裂進展速度を直接計測することができる．しかし，供試体の準備も含め試験時間に多大な時間を要し，試験装置も大規模となるため，複雑で高価な試験法の一つに位置づけられる．
海外に目を向けると，ひび割れ抵抗性の評価を目的としている半円形供試体曲げ試験（SCB 試験）がある．SCB 試験は，欧州と米国で標準化されておりひび割れ抵抗性を簡便に評価するための試験法で，本来はき裂の進展過程を評価するものではない．さらに，我が国では実績がほとんどなく，知見が乏しいのが実状である．
そこで本研究では，ひび割れ抵抗性能の異なるアスコンに対して曲げ疲労試験を実施し，それらのき裂進展速度を比較した．その後，SCB 試験を行い，その結果と曲げ疲労試験から求めたき裂進展速度の結果を比較し， SCB 試験によってアスコンのき裂進展速度を評価できる評価パラメータを提案することを目的とした．

2. クラックゲージを用いた曲げ疲労試験によるき裂進展速度の評価
2.1

曲げ疲労試験の概要

9.0mm

舗装調査・試験法便覧に規定されている曲げ疲労試験は，ひずみ制御による両振りで載荷を行う．本研究では，クラックゲージを供試体の両側面に貼り付け，応力制御による片振りで載25.1mm荷を行った．応力制御での試験は，載荷回数が多くなるに従って変位が大きくなり，き裂開口部の変形も大きくなるため，クラックゲージでのき裂進展の過程が容易に計測できる．さらに，片振りでの載荷は進展したき裂が閉じることないため，安定し33.6mm
図-1 クラックゲージの概要

てき裂進展を測定することができる．
本研究で使用したクラックゲージは図-1 に示す形状寸法で，疲労き裂が上から下に向かって進展することを想定している．また，本研究での疲労試験は 2 点
支持 2 点載荷の条件で実施し，写真-1 に試験実施状況を示す．クラックゲージの測定可能範囲にクラックが生じるように，上端面の中央部に幅 1mm，長さ 7mm の擬似き裂を導入した．供試体は，骨材配列による結果

写真-1 4 点曲げ疲労試験の実施状況

のばらつきを小さくするために，最大骨材粒径を

表-1 曲げ疲労試験の試験条件

5mm とし，バインダにストレートアスファルト 60/80

項目

試験条件

（ストアス）とポリマー改質アスファルト II 型（改載荷方法

両端固定片振り2点載荷質Ⅱ型），ポリマー改質アスファルト H 型（改質 H

スパン（mm）300型）の 3 種類を使用した．表-1 に試験条件を示す．

試験方法

応力制御

試験温度（℃）

10，15，20

2．2 試験結果および考察

載荷周波数（Hz）

10

両側面のクラックゲージで測定したき裂長さの平載荷波形

sin波

均値をとり各種アスコンのき裂進展速度について評

荷重振幅(N)

150

価した．き裂進展の様子を表す結果の一例として，
ストアス供試体の試験温度 15℃の場合における載荷きがき裂進展速度を意味しており，傾きをとる範囲はき裂の進展が比較的安定している 5 mm か ら20 mm の範囲とした．

き裂長さ(mm)

回数とき裂長さの関係を図-2 に示す．この曲線の傾25

各バインダを使用した供試体に対するき裂進展速20151050度の結果を図-3 に示す．これらの結果は，試験温度

02000040000
20,00040,000
載荷回数(回)が低いほどき裂進展速度は遅く，またストアス，改

図-2 載荷回数とき裂長さの関係

質 H 型，改質Ⅱ型の順序でき裂進展速度が遅くなっき裂進展速度を評価できていると言える．

3. SCB 試験によるき裂進展速度の評価
3．1 各規格における SCB 試験の概要
SCB 試験は EN（European Standard）の BS EN
12697-44 や AASHTO の TP124-16 など，海外では一般的な試験法として規定されている．しかし，わが国では標準化に至っておらず，試験条件などが定めき裂進展速度 (mm/回)ている．これは経験的知見に沿った結果となっており，クラックゲージを用いた曲げ疲労試験によって

60000
60,0000.1-110

ストアス

改質H型

改質Ⅱ型

0.01-2100.001-3
101E-04-4
100.00001
10-5101520

試験温度 (℃)

図-3 各供試体の試験温度とき裂進展速度の関係られていないのが現状である．そこで，EN・AASHTOの試験条件を参考に適当な試験条件を設定すること

表-2 EN の SCB 試験条件
項目

試験条件

まず，EN の BS EN 12697-44 では，アスコンの引スパン（mm）

120

張強さや破壊靭性の決定として主に用いられている．

試験温度（℃）

0

直径 150 mm，厚さ 50 mm の半円形供試体の下部に擬載荷速度（mm/min）

5

似き裂を設け，底部中央に引張応力が生じるよう 3

疑似き裂寸法点載荷で曲げ作用を与える試験となっている．BS EN

幅×深さ（mm)とした．

0.35×1012697-44 で設ける疑似き裂は，幅 0.35 mm，深さ10 mm と非常に薄いき裂とっており，特殊なカッタを用いる必要がある．試験条件を表-2 に示す．

表-3 AASHTO の SCB 試験条件

次に，AASHTO の TP124-16 では，アスコンの破壊エネルギの決定や，可撓性の評価に利用される．供試体の形状や曲項目

試験条件

げ試験である点は，BS EN 12697-44 とほぼ同様であるが，疑スパン（mm）

120

似き裂幅が試験温度（℃）

25

載荷速度（mm/min）

501.5 mm，疑似き裂深さが 15 mm と供試体に差異がある．また，載荷速度も異なり試験速度は 50 mm/minで行う．試験条件を表-3 に示す．

疑似き裂寸法
幅×深さ（mm)

1.5×153．2 本研究で用いた SCB 試験の概要
表-4 本研究の SCB 試験条件

前節では，EN と AASHTO に記載されている SCB 試験の試験法について述べた．海外で使用されている試験法である項目

試験条件

ため，わが国での設備では困難な部分がみられた．特に，ENスパン（mm）

120

では非常に薄い擬似き裂を入れる為に特殊なカッタが必要

載荷速度（mm/min）5となる．そのため，本研究ではこれらの試験法と全く同様の供試体寸法

試験法ではなく，現行の試験機や作製器具を用いたより簡便直径×幅（mm）な SCB 試験の試験条件を検討した．

疑似き裂寸法

まず，供試体の寸法についてみてみると，厚さは共に 50

幅×深さ（mm)150×50

1.5×15mm となっているため問題はない．しかし，擬似き裂の寸法について着目すると，EN では幅 0.35 mm，深さ 1.0 mm，AASHTO では幅 1.5 mm，深さ 15 mm となっている．EN の寸法では幅が非常に薄いため，特殊なカッタが必要となるが，AASHTO の寸法であれば現行のカッタで対応できるため，擬似き裂の寸法は幅 1.5 mm，深さ 15 mm とする．
また，載荷速度についてみてみると，EN では 5 mm/min，AASHTO では 50 mm/min となっている．
AASHTO の 50 mm/min は非常に速い載荷となり，本研究における SCB 試験の試験的運用に不適切と考え，比較的試験速度が遅い EN の 5 mm/min を載荷速度とした．試験条件を表-4 にまとめる．

3．3 試験結果および考察
SCB 試験から得られた荷重－変位曲線の一例を図-4 に示す．AASHTO 基準では破壊エネルギ𝐺𝑓を評価パラメータとして採用しており，その値をもってひび割れ抵抗性を評価している．破壊エネルギ
𝐺𝑓 は以下の式で求められる．
𝑊𝑓

𝐺𝑓 = 𝐴(1)

𝑙𝑖𝑔

5000

2

ここに，𝐺𝑓 ：破壊エネルギ（J/m ），𝑊𝑓 ：き裂によ4000る仕事（J），𝐴𝑙𝑖𝑔：有効面積（m ）である．また，𝑊𝑓 は次の式で与えられる．
𝑊𝑓 = ∫ 𝑃𝑑𝑢(2)

ここに，𝑃：載荷荷重（N），𝑢：変位（m）である．
本研究では，き裂進展の挙動に着目しているため，
荷重－変位曲線の荷重ピーク以降の範囲で破壊エネルギ（𝐺𝑓𝑠 ）を求めた．ピーク以降では変位が大きくなるにつれ，載荷荷重が急激に減少していく．

載荷荷重(N)

23000
2000

1000005変位(mm)
図-4 SCB 試験結果の例

105000

少して，荷重が低下したものと判断される．

4000

各アスコン供試体に対する各破壊エネルギの値を図-5に示す．各温度における𝐺𝑓𝑠 に差があり，ストアス，改質(J/mm²)

この範囲においてき裂が進行し，供試体の有効断面が減H 型，改質Ⅱ型の順に大きいことがわかる．しかし，バストアス

改質H型

改質Ⅱ型

15203000
2000

インダごとの温度変化による𝐺𝑓𝑠 の変化が小さく，比較が1000できない．これより，𝐺𝑓𝑠 のみで条件の異なるアスコンの010

試験温度 (℃)

物性評価は困難であるといえる．

図-5 各供試体の試験温度と𝐺𝑓𝑠 の関係

4. 曲げ疲労試験と SCB 試験結果の相関関係
4．1 ピーク後の傾きとき裂進展速度の比較
き裂進展速度 (mm/回)

0.1

SCB 試験におけるき裂の進展挙動の差異をとらえる指標として，荷重－変位曲線のピーク値以降の傾き（𝑚𝑠 ）について着目した．この傾きと曲げ疲労試験より得たき裂進展速度について比較を行う．
供試体条件ごとに結果をまとめたものを図-6 に示す．この10-1ストアス
改質H型
改質Ⅱ型

R =0.95

0.01
10-20.001
10-3
1E-04
10-40.00001
10-50

結果より，指数関数による近似ではあるが R=0.95 と両者の間

1000

2000

3000

40005000(N/mm)

図-6 き裂進展速度と𝑚𝑠 の関係には高い相関関係があり，𝑚𝑠 の比較より，き裂進展速度について評価できるといえる．
SCB 試験から得た荷重－変位曲線のピーク値以前の傾き（𝑚𝑓 ）に着目した．𝑚𝑓 が大きいほど一定変位に必要となる荷重が大きいため，𝑚𝑓 の比較によりき裂発生までの抵抗性について評価できると考えた．
そこで，曲げ疲労試験の結果より，き裂長さが増加し始100000 5

10R =0.91

き裂発生回数 (回)4．2 ピーク前の傾きとき裂発生回数の比較

10000
10 4めた載荷回数をき裂発生回数として， 𝑚𝑓 と比較した．供試ストアス
改質H型
改質Ⅱ型

1000
10 3100
10 20

体条件ごとに結果をまとめたものを図-7 に示す．この結果
より，R=0.91 と両者の間には高い相関関係があり，𝑚𝑓 を比1000

2000(N/mm)

3000

4000

図-7 き裂発生回数と𝑚𝑓 の関係

較することで，き裂発生までの抵抗性について評価できるといえる．

5. 配合条件の異なるピーク前後の傾きの評価
5．1

検討方法

𝑚𝑠 とき裂進展速度の間には高い相関関係があり，𝑚𝑠 を比較することで，き裂進展速度について評価できると考えられた．同様に，𝑚𝑓 とき裂発生回数の間には高い相関関係があり，𝑚𝑓 を比較することで，き裂発生までの抵抗性について評価できると考えられた．しかし，この結果は最大骨材粒径 5 mm のアスコンを用いたものであるため，実際の舗装で使用されているような，最大骨材粒径 13 mm などの粒径が大きなアスコンに対して評価できるか検討する必要がある．
最大骨材粒径 13 mm での SCB 試験を実施し，𝑚𝑠13 と𝑚𝑓13を求める．この結果を最大骨材粒径 5 mm

の𝑚𝑠5と𝑚𝑓5を比較検討し，相関があることを確8000認する．両者に相関があることが認められれば，りアスコンの物性評価ができ，配合条件が変化してもアスコンのひび割れ抵抗性が評価できると

R =0.97(N/mm)

間接的に，最大骨材粒径 13 mm でも𝑚𝑠 と𝑚𝑓 によ

いえる．

5.5.2

6000
4000
2000

改質H型
改質Ⅱ型

試験結果

00

𝑚𝑠5と𝑚𝑠13 を比較するため，縦軸に𝑚𝑠13 ，横軸に𝑚𝑠5をとり，まとめたものを図-8 に示す．また，

1000

2000

3000
(N/mm)

4000

5000

図-8 𝑚𝑠13 と𝑚𝑠5の関係

同様に𝑚𝑓 についてまとめたものを図-9 に示す．
結果より，両者には非常に高い正の相関があるこ
8000とがわかる．これより，𝑚𝑠13 は𝑚𝑠5 と同様に，4い相関があることが予想され，アスコンのき裂伝播特性を評価できると考えられる．さらに，𝑚𝑓13(N/mm)

点曲げ疲労試験から得られるき裂進展速度と高R =0.89

6000
4000

は𝑚𝑓5と同様に，曲げ疲労試験から得られるき裂発生回数と高い相関があることが予想され，アスコンのき裂発生までの抵抗性を評価できると考えられる．

改質H型

2000

改質Ⅱ型

0010002000

つまり，骨材粒径が変化した場合にも，𝑚𝑠 と𝑚𝑓はアスコンのひび割れ抵抗性を評価できると考3000(N/mm)

4000

5000

図-9 𝑚𝑓13 と𝑚𝑓5の関係えられ，ひび割れ抵抗性の評価指標として妥当であるといえる．

6. まとめ本研究では，ひび割れ抵抗性の評価値としてき裂進展速度を用い，曲げ疲労試験による実測値に基づいて，簡便な SCB 試験の結果から推定・評価することについて検討した．
そこで，SCB 試験より得た荷重－変位曲線のピーク値以降の傾きに着目したところ，き裂進展速度との間には高い相関関係が認められた．また，ピーク値以前の傾きに着目し，曲げ疲労試験より実測した
き裂発生回数との関係について検討したところ，高い相関があった．
また，骨材配合を変化させた場合であっても高い相関を得られたことから，様々な配合条件におけるアスコンのひび割れ抵抗性を評価できると言えた．

参考文献
1) 社団法人 日本道路協会：舗装調査・試験法便覧，pp.[3]166-175，2007．
2) EN12697-44:2010，Bituminous mixtures-Test methods for hot mix asphalt -Crack propagation bysemi-circular bending test，2010．
3) AASHTO TP 124-18 Provisional Standard Method of Test for Determining the Fracture Potential of Asphalt
Mixtures Using Semicircular Bend Geometry (SCB) at Intermediate Temperature， 2018．