アスファルトコンクリート

アスファルトコンクリート（北米では一般的にアスファルト[ ^{1 ]}ブラックトップまたは舗装、英国およびアイルランドではターマック、ビットマックまたはビチューメンマカダムと^呼ばれる）は、道路、駐車場、空港、および堤防ダムのコアの表面を舗装するために一般的に使用される複合材料です。^{[ 2 ]}アスファルト混合物は、19世紀以来舗装工事に使用されてきました。^{[ 3 ]}これは、ビチューメン（アスファルト、ピッチ、またはタールとしても知られる物質）で結合された鉱物骨材で構成され、層状に敷設され、圧縮されます。

アメリカ英語の用語である「アスファルト（またはアスファルト系）コンクリート」、「瀝青アスファルトコンクリート」、「瀝青混合物」は、通常、工学および建設関連の文書でのみ使用され、これらの文書ではコンクリートは鉱物骨材を結合剤で接着した複合材料と定義されています。略語の「AC 」は、アスファルトコンクリートを表す際に使用されることがありますが、複合材料中の液状アスファルト部分を指す「アスファルト含有量」または「アスファルトセメント」を意味する場合もあります。

天然アスファルト（古代ギリシア語: ἄσφαλτος 、ローマ字表記:  ásphaltos）は、古代からメソポタミア、フェニキア、エジプト、バビロン、ギリシア、カルタゴ、ローマで知られ、神殿の浴場、貯水池、水道橋、トンネル、堀の防水、石積みモルタル、コルク容器、路面道路などに使用されてきた。^{[ 4 ] [ 5 ]}

紀元前625年頃のバビロニア王ナボポラッサルの行列通りは、宮殿から北へ城壁を通って伸びており、焼レンガとアスファルトで建設されたと記述されている。^{[ 6 ] [ 5 ]}

フランスでは1824年から、天然アスファルトで覆われ結合された玉石が道路建設の手段として使用され、また、突き固めた天然岩石アスファルトから作られた成形アスファルト玉石やブロックも使用された。^{[ 7 ]}

1829年、天然のセイセルアスファルトに7%の骨材を混ぜてアスファルトマスチック表面を作り、フランスのリヨンのポン・モランの歩道に使用した。この技術は1835年にパリ、1836年にイギリスのロンドン、1838年にアメリカ合衆国のフィラデルフィアに広まった。^{[ 8 ]}

1834年、ロンドンのポプラにあるピッチとワニスの供給業者であるジョン・ヘンリー・カッセル＆カンパニーは、タール層で道路を舗装し、その上にマカダム層を重ね、さらにタールと砂の層で密封する方法に関する英国特許を取得し、その表面を「舗装と防水のための溶岩石」として販売した。その後まもなく、ヴォクソール橋への進入路とロンドンのミルウォールの道路の舗装工事を請け負った。^{[ 9 ]}

1837年、RTクラリッジは、フランスとベルギーで使用されているのを見て、バインダーとしてセイセルアスファルトを使用した同様の英国特許（GB特許1837 #7849）を取得しました。その後、1838年にクラリッジ特許アスファルト会社を設立しました。^{[ 9 ]}

ノッティンガムから伸びる砂利道の2マイル（3.2km）区間が、1840年に天然アスファルトで試験的に舗装された。この実験は1845年にハンティンドン・ハイストリートで繰り返された。^{[ 10 ]} 

1852年、フランスのパリとペルピニャンの間に、スイスのヴァル・ド・トラヴェール岩石アスファルト（天然アスファルトで覆われた石灰岩骨材）を使用したアスファルト舗装のマカダム道路が建設された。 ^{[ 11 ] [ 6 ]}

1869年、ロンドンのスレッドニードル通りはスイスのヴァル・ド・トラヴェール岩石アスファルトで再舗装された。^{[ 8 ]}

加熱した天然アスファルトと砂を 1:5 の割合で混合し、ローラーで転圧し、石油オイルを混合した天然アスファルトを塗布して硬化させることで、圧縮砂道路の表面を舗装するプロセスは、1870 年にコロンビア大学でベルギー系アメリカ人の化学者エドワード・デ・スメットによって発明され、彼は材料と硬化方法について 2 つの米国特許を取得しました。^{[ 12 ] [ 13 ]}

土木技師、測量士、イギリスの郡道路委員会のメンバーであったエドガー・パーネル・フーレイは、石油アスファルトとマカダム骨材（砂利、ポルトランドセメント、砕石、高炉スラグ）を蒸気加熱ミキサーで212°F（100°C）で混合し、加熱された貯水槽、導管、メッシュを通して、道路表面を形成するために適用できる機械と材料を作るプロセスとエンジンを開発しました。彼は1902年にこの改良についてイギリスの特許を出願しました。^{[ 14 ] [ 15 ]}フーレイは、この技術を販売するためにイギリスの会社を設立し、タールとマカダム砂利の複合混合物の組み合わせから派生した彼の会社Tar Macadam (Purnell Hooley's Patent) Syndicate Limitedの名前にちなんで、tar macadamという用語が作られ、 tarmacと略されました。^{[ 16 ]}  

アスファルトと骨材の混合は、いくつかの方法のいずれかで行われます。^{[ 17 ]}

ホットミックスアスファルトコンクリート（一般的にHMAと略される）

これは、混合前にビチューメンバインダーを加熱して粘度を下げ、骨材を乾燥させて水分を除去することによって製造されます。混合は一般的に、バージンアスファルトの場合は骨材を約150 °C (300 °F) 、ポリマー改質アスファルトの場合は170 °C (330 °F)、アスファルトセメントを93 °C (200 °F)で行います。舗装と締固めは、アスファルトが十分に高温である間に行う必要があります。多くの地域では、冬期にはアスファルトを必要な密度に締固める前に路盤が急速に冷えてしまうため、舗装は夏季に限定されています。HMA は、主要高速道路、レーストラック、飛行場などの交通量の多い舗装で最も一般的に使用されるアスファルトコンクリートの形態です。また、埋立地、貯水池、養魚池の環境ライナーとしても使用されます。^{[ 18 ] [ 19 ]}      

温間混合アスファルトコンクリート（一般的にWMAと略される）

これは、混合前にアスファルトバインダーにゼオライト、ワックス、アスファルト乳剤、または場合によっては水を加えることによって作られます。これにより、混合および敷設温度を大幅に下げることができ、化石燃料の消費量を削減し、二酸化炭素、エアロゾル、蒸気の放出量を減らすことができます。これにより、作業条件が改善され、敷設温度が下がるため、路面の使用開始が早まり、時間的制約のある建設現場にとって重要になります。これらの添加剤をホットミックスアスファルト（上記）に使用すると、圧縮が容易になり、寒冷地での舗装や長距離輸送が可能になります。温間混合の使用は急速に拡大しています。米国のアスファルト製造業者への調査によると、2012年に生産されたアスファルトの約25%が温間混合であり、2009年以降416%増加しています。^{[ 20 ]} WMAと材料リサイクルを組み合わせることで、よりクリーンな道路舗装を開発できる可能性があります。温間混合アスファルト（WMA）技術には、環境、生産、経済面での利点がある。^{[ 21 ]}

常温混合アスファルトコンクリート

これは、アスファルトを水中で乳化剤を用いて乳化させた後、骨材と混合することによって製造されます。乳化状態にある間は、アスファルトの粘度が低く、混合物は扱いやすく、圧縮しやすい状態になります。十分な水分が蒸発すると乳化が解消され、理想的には、コールドミックスはHMA舗装の特性を帯びます。コールドミックスは、補修材として、また交通量の少ないサービス道路で一般的に使用されます。

アスファルトコンクリートの切り戻し

カットバックアスファルトは、結合剤を灯油または石油の軽質成分に溶解してから骨材と混合することによって製造されるコールドミックスアスファルトの一種です。溶解状態では、ビチューメンの粘度が低く、混合物は作業しやすく、圧縮しやすいです。混合物を敷設した後、軽質成分は蒸発します。軽質成分に含まれる揮発性有機化合物による汚染の懸念から、カットバックアスファルトはアスファルト乳剤にほぼ置き換えられています。^{[ 22 ]}

マスチックアスファルトコンクリート、またはシートアスファルト

これは、硬質グレードの吹付けアスファルト（つまり、部分的に酸化されたもの）をグリーンクッカー（ミキサー）で粘性のある液体になるまで加熱し、その後骨材混合物を加えることによって製造されます。アスファルト骨材混合物は約 6～8 時間煮沸（熟成）され、準備が整うと、マスチックアスファルトミキサーが作業現場に運ばれ、熟練した作業員がミキサーを空にして、機械または手作業でマスチックアスファルトの内容物を道路に敷設します。マスチックアスファルトコンクリートは、歩道や道路用途では一般的に約20～30 ミリメートル（13 ⁄ 16～1 + 3 ⁄ 16インチ）の厚さに、床や屋根用途では約10 ミリメートル（3 ⁄ 8インチ）の厚さに敷設されます。^{[ 23 ]}  

高弾性アスファルト コンクリート。フランス語の頭字語 EMÉ (enrobé à module élevé) と呼ばれることもあります。

これは、非常に硬いアスファルト配合（針入度10/20）を、骨材の重量の約6%の割合で、場合によっては改良して使用し、さらに高割合の鉱物粉末（8～10%）を使用して、弾性係数の高い（約13000  MPa）アスファルトコンクリート層を作成します。これにより、従来のアスファルトと比較して、基層の厚さを最大25%（温度による）削減することが可能になり、^{[ 24 ]}非常に高い疲労強度が得られます。^{[ 25 ]}高弾性率アスファルト層は、補強工事と中・重交通向けの新しい補強工事の両方で使用されます。基層では、張力を吸収する能力が高く、一般的に疲労抵抗性も優れている傾向があります。^{[ 26 ]}

アスファルトと骨材に加えて、ポリマーや剥離防止剤などの添加剤を添加することで、最終製品の特性を向上させることができる。

アスファルトコンクリートで舗装されたエリア、特に空港のエプロンは、タールマカダム工法を使用して建設されていないにもかかわらず、「ターマック」と呼ばれることがある。^{[ 27 ]}

特定のニーズを満たすために、さまざまな特殊アスファルトコンクリート混合物が開発されてきました。例えば、強固な耐摩耗性を確保するように設計された石材マトリックスアスファルトや、透水性があり、雨水が舗装を通して排水されることで雨水を制御する多孔質アスファルト舗装などがあります。

アスファルトコンクリートの種類によって、路面の耐久性、タイヤの摩耗、ブレーキ効率、道路騒音などの性能特性が異なります。原則として、適切なアスファルトの性能特性を決定するには、各車両カテゴリーの交通量と摩擦層の性能要件を考慮する必要があります。一般的に、アスファルトの粘度により、道路や街路に凸面を形成しやすく、中央の頂点から水を端に排水することができます。しかし、これは、さまざまな粘度グレードがあり、凸面の路面を形成できるコンクリートに比べて、それ自体が利点というわけではありません。むしろ、アスファルトコンクリートの経済性により、より頻繁に使用されています。コンクリートは、維持管理が非常に重要な州間高速道路で見られます。

アスファルトコンクリートは、ポルトランドセメントコンクリート表面よりも道路騒音が少なく、チップシール表面よりも一般的に騒音が少ない。^{[ 28 ] [ 29 ]}タイヤノイズは運動エネルギーが音波に変換されることによって発生するため、車両の速度が増加すると騒音も増加する。高速道路の設計において、路面舗装の種類を選択することを含め、音響工学的な考慮事項を考慮に入れるべきだという考えは、1970年代初頭に生まれた。^{[ 28 ] [ 29 ]}

構造性能に関して言えば、アスファルトの挙動は、材料、荷重、環境条件などさまざまな要因に依存します。さらに、舗装の性能は時間とともに変化します。したがって、アスファルト舗装の長期挙動は短期挙動とは異なります。LTPPは、FHWAによる研究プログラムであり、特に長期舗装挙動に焦点を当てています。^{[ 30 ] [ 31 ]}

アスファルトの劣化には、ワニの皮のようなひび割れ、ポットホール、隆起、剥離、^{[ 32 ]}ブリーディング、わだち掘れ、押し出し、剥離、勾配の凹みなどが含まれます。寒冷地では、凍上により、たった1冬の間にアスファルトにひびが入ることがあります。ひび割れにビチューメンを充填するのは一時的な解決策ですが、適切な締め固めと排水によってのみ、このプロセスを遅らせることができます。

アスファルトコンクリートが経年劣化する原因は、主に施工品質、環境への配慮、交通荷重の3つのカテゴリーに分類されます。多くの場合、これら3つのカテゴリーの要因が複合的に作用して損傷が発生します。

舗装の性能には、施工品質が非常に重要です。これには、施工後に舗装内に設置されるユーティリティトレンチや付属設備の施工も含まれます。アスファルト表面、特に縦目地の圧縮不足は、舗装の寿命を30～40%短縮する可能性があります。施工後の舗装内のサービストレンチは、主にトレンチ内の圧縮不足と、適切に密閉されていない目地からの水の浸入により、舗装の寿命を50%短縮すると言われています^{[ 33 ] 。}

環境要因としては、気温や寒さ、舗装路面下の路盤土や路床土中の水分の存在、凍上などが挙げられる。

高温はアスファルトの結合材を軟化させ、重いタイヤの荷重によって舗装路面が轍状に変形する原因となります。しかしながら、高温と強い日光はアスファルトの酸化も引き起こし、アスファルトを硬く弾力性を低下させ、ひび割れの原因となります。低温もアスファルトの収縮によってひび割れを引き起こす可能性があります。低温のアスファルトは弾力性が低く、ひび割れを起こしやすいのです。

舗装の下に溜まった水は路盤と路床を軟化させ、道路を交通荷重に対して脆弱にします。路面下の水は寒冷時に凍結して膨張し、ひび割れを引き起こして拡大させます。春の雪解け時には、地面は上から下へと解凍するため、水は上の舗装と下のまだ凍っている土壌の間に閉じ込められます。この飽和した土壌層は上の道路をほとんど支えることができず、ポットホールの形成につながります。これは、砂質土や砂利質土よりも、シルト質土や粘土質土でより深刻な問題となります。一部の地域では、春の雪解け時期にトラックの許容重量を減らし、道路を保護するために凍結防止法を制定しています。

車両が引き起こす損傷は、おおよそ車軸荷重の4乗に比例するため、車軸にかかる重量が2倍になると、実際には16倍の損傷が発生します。^{[ 34 ]}車輪は路面をわずかにたわませ、疲労亀裂を引き起こし、それがしばしばワニのひび割れにつながります。車両の速度も影響します。ゆっくり移動する車両は、より長い期間にわたって路面にストレスを与え、アスファルト舗装の轍、ひび割れ、波状変形を増加させます。

その他の損傷原因としては、車両火災による熱損傷や、化学物質の流出による溶剤作用などが挙げられる。

劣化の防止と修復

道路の寿命は、適切な設計、建設、および維持管理によって延ばすことができます。設計段階では、技術者は道路の交通量を測定し、特にトラックの数と種類に注意を払います。また、路盤がどれだけの荷重に耐えられるかを評価することもあります。舗装と路盤の厚さは、車輪荷重に耐えられるように設計されています。路盤を補強し、道路をさらに強化するために、ジオグリッドが使用されることもあります。側溝、雨水排水溝、地下排水溝などの排水設備は、路盤から水を取り除き、路盤と路盤を弱体化させないようにするために使用されます。^{[ 35 ]}

アスファルト舗装のシーリングは、水や石油製品が舗装面に浸入するのを防ぐための維持管理対策です。

側溝や雨水排水溝の維持管理と清掃は、低コストで道路の寿命を延ばすのに役立ちます。小さなひび割れをアスファルト系ひび割れ補修材で塞ぐことで、凍結による風化でひび割れが拡大したり、水が路盤に浸透して路盤を軟化させたりするのを防ぐことができます。

路面の状態がやや悪化している場合は、チップシールなどの表面処理を施すことができます。ひび割れの数、幅、長さが増加するにつれて、より大規模な補修が必要になります。費用が一般的に高くなる順に、薄いアスファルトオーバーレイ、多層オーバーレイ、表層の削り取りとオーバーレイ、現場再生、または道路の全面的な再構築などがあります。

道路が劣化してから修理するよりも、良好な状態を維持する方がはるかに費用がかかりません。そのため、一部の機関は、状態の悪い道路を再建するよりも、状態の良い道路の予防保全を優先します。状態の悪い道路は、資源と予算が許す限り改良されます。生涯コストと長期的な舗装状態の観点から、これはシステムの性能向上につながります。状態の悪い道路の修復に重点を置く機関は、すべての道路を修復し終える頃には、状態の良い道路が劣化していることに気づくことがよくあります。^{[ 36 ]}

一部の機関は、舗装路面管理システムを使用して、維持管理や修繕の優先順位付けを支援している。

アスファルトコンクリートは、現場とアスファルト工場の両方で再生および再利用できるリサイクル可能な材料です。^{[ 37 ]}アスファルトコンクリートで最も一般的なリサイクル成分は、再生アスファルト舗装材（RAP）です。RAPは、米国で他のどの材料よりも高い割合でリサイクルされています。^{[ 38 ]}多くの屋根瓦にもアスファルトが含まれており、アスファルトコンクリート混合物には再生アスファルトシングル（RAS）が含まれる場合があります。研究により、RAPとRASは混合物中の新規骨材とアスファルトバインダーの最大100%を代替できることが実証されていますが、^{[ 39 ]}この割合は、規制要件と性能上の懸念から通常は低くなっています。2019年に米国で生産された新しいアスファルト舗装混合物には、平均して21.1%のRAPと0.2%のRASが含まれていました。^{[ 38 ]}

• フリーフローティングスクリード– 舗装材を広げて平らにする舗装機械の一部 
• 舗装工学
• マーシャル安定度法
• 舗装機– アスファルトを敷設するために使用される建設機械 
• プラスチック装甲– 第二次世界大戦時のイギリス製石骨材装甲艦 
• 路面– 耐久性のある路面材で覆われた道路 
• シールコート– アスファルト表面用の保護コーティング 
• 型押しアスファルト– アスファルトコンクリートへの装飾仕上げ