アスファルトコンクリート

アスファルトコンクリート（一般に北米ではアスファルト、^[1] ブラックトップ、または舗装、英国とアイルランド共和国ではター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、堤防ダムの芯材の舗装によく使用される複合材料です。^[2]アスファルト混合物は、20世紀初頭から舗装工事に使用されてきました。^[3]これは、鉱物骨材とビチューメン（独立してアスファルトとしても知られる物質）を結合させ、層状に敷き詰めて圧縮したものです。

この工程は、ベルギー系アメリカ人の発明家エドワード・デ・スメットによって改良され、強化されました。^[4] エドガー・パーネル・フーリーは英国でこの工程をさらに強化し、タールとマカダム砂利の複合混合物の組み合わせに由来する彼の会社「タール・マカダム（パーネル・フーリーの特許）シンジケート・リミテッド」の名前にちなんで、タール・マカダム（略してターマック）という用語を作り出した。^[5]

アスファルト（またはアスファルト質）コンクリート、ビチューメンアスファルトコンクリート、ビチューメン混合物という用語は、通常、コンクリートを結合剤で接着された鉱物骨材で構成された複合材料と定義する工学および建設文書でのみ使用されます。略語ACは、アスファルトコンクリートに使用されることもありますが、複合材料の液体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示すこともできます。

混合処方

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。^[6]

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、アスファルトバインダーを加熱して粘度を下げ、混合前に骨材を乾燥させて水分を除去することによって生成されます。混合は通常、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。舗装と圧縮は、アスファルトが十分に熱い間に行う必要があります。多くの地域では、舗装は夏季に限定されています。冬季は、必要な密度に圧縮する前に、アスファルトが急速に冷却されるためです。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てい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、魚の孵化池の環境ライナーとしても使用されます。^[7]

温間混合アスファルトコンクリート（一般に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、アスファルトエマルジョン、または水のいずれかを追加することで生成されます。これにより、混合および敷設温度が大幅に低下し、化石燃料の消費量が削減されるため、二酸化炭素、エアロゾル、蒸気の放出が減ります。これにより作業条件が改善され、敷設温度が下がるため、表面をより迅速に使用できるようになります。これは、スケジュールが厳しい建設現場にとって重要です。ホットミックスアスファルト（上記）にこれらの添加剤を使用すると、圧縮が容易になり、寒冷地舗装や長距離輸送が可能になります。ホットミックスの使用は急速に拡大しています。米国のアスファルト生産者を対象とした調査では、2012年に生産されたアスファルトの約25％がホットミックスであり、2009年以降416％増加していることがわかりました。^[8] 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。温水混合アスファルト（WMA）技術は、環境、生産、経済にメリットをもたらします。^[9]
コールドミックスアスファルトコンクリート: これは、骨材と混合する前に、乳化剤を使用してアスファルトを水中で乳化させることによって生成されます。乳化状態のアスファルトの粘性は低く、混合物は作業しやすく圧縮しやすいです。十分な水分が蒸発すると乳化が壊れ、コールドミックスは理想的には HMA 舗装の特性を帯びます。コールドミックスは、一般的にパッチ材として、また交通量の少ないサービス道路で使用されます。
アスファルトコンクリートのカットバック: コールドミックスアスファルトの一種で、結合剤を灯油または他の石油の軽い部分で溶かしてから骨材と混ぜて作られる。溶解した状態のアスファルトの粘性は低く、混合物は作業しやすく圧縮しやすい。混合物を敷設した後、軽い部分は蒸発する。軽い部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主にアスファルトエマルジョンに置き換えられている。^[10]
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、硬質グレードのブローンビチューメン（すなわち、部分的に酸化されたもの）をグリーンクッカー（ミキサー）で加熱して粘性のある液体にし、その後骨材ミックスを加えることによって生成されます。
アスファルト混合物は、約6～8時間加熱（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、熟練した敷設者がミキサーから取り出し、機械または手でマスチックアスファルト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、通常、約20～30ミリメートル（13 ⁄ 16～1+歩道や道路の用途では約3 ⁄ 16 インチ、床や屋根の用途では約10ミリメートル（ 3 ⁄ 8 インチ）の厚さが使用されています。^[11]
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物（浸透度 10/20）を骨材の重量の約 6% の割合で、場合によっては修正して使用し、高弾性率（13000 MPa 程度）のアスファルトコンクリート層を作成するために、高弾性率のアスファルトコンクリート層を作成するために、高弾性率のアスファルト配合物（浸透度 10/20 ）を骨材の重量の約 6% の割合で、また高弾性率の鉱物粉末（8～10%）の割合で使用します。これにより、従来のアスファルトと比較して、ベース層の厚さを最大 25% まで（温度に応じて）減らすことができ、^[12]非常に高い疲労強度が得られます。^[13]高弾性率のアスファルト層は、補強作業と、中規模および大規模交通用の新しい補強材の建設の両方で使用されます。ベース層では、張力を吸収する能力が高く、一般に疲労耐性が優れています。^[14]

アスファルトと骨材に加えて、最終製品の特性を向上させるために、ポリマーや剥離防止剤などの添加剤が加えられる ^こと^もあります^。

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、ターマカダム工法で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ります。^[15]

特定のニーズを満たすために、さまざまな特殊な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。たとえば、強力な摩耗面を確保するように設計されたストーンマトリックスアスファルトや、浸透性があり、雨水を制御するために舗装から水が排水される多孔質アスファルト舗装などです。

道路の性能特性

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、路面騒音などの道路性能特性が異なります。原則として、適切なアスファルト性能特性を決定するには、各車両カテゴリの交通量と摩擦路面の性能要件を考慮する必要があります。一般に、アスファルトの粘性により、凸面を形成しやすく、街路や道路の中央頂点から端に水を排出できます。ただし、それ自体は、さまざまな粘性グレードがあり、凸面の路面に形成できるコンクリートに対して有利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がより頻繁に使用されるのは、その経済性によるものです。コンクリートは、メンテナンスが極めて重要な州間高速道路で使用されています。

アスファルトコンクリートは、ポー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。^[16]^{[17]タイヤ騒音は}運動エネルギーを音波に変換することによって発生するため、車両の速度が上がると騒音も大きくなる。高速道路の設計では、表面舗装の種類の選択など、音響工学的な考慮事項を考慮する必要があるという考えは、1970年代初頭に生まれた。^[16]^[17]

構造性能に関しては、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、舗装の性能は時間の経過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的な挙動は短期的な性能とは異なります。LTPPはFHWAによる研究プログラムであり、特に長期的な舗装の挙動に焦点を当てています。^[18]^[19]

劣化と修復

アスファルトの劣化には、ワニのひび割れ、穴、隆起、ほつれ^[要説明]、滲み、わだち掘れ、突き出し、剥離、^[要説明]、勾配の陥没などがあります。寒冷な気候では、凍上により、1 冬の間にもアスファルトにひび割れが生じることがあります。ひび割れをビチューメンで埋めるのは一時的な対処法ですが、適切な圧縮と排水だけがこの進行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時間の経過とともに劣化する要因は、主に建設品質、環境への配慮、交通負荷の 3 つのカテゴリのいずれかに分類されます。多くの場合、損傷はこれら 3 つのカテゴリの要因の組み合わせによって発生します。

施工品質は舗装の性能にとって極めて重要です。これには、施工後に舗装に設置されるユーティリティ溝や付属物の施工が含まれます。アスファルト表面、特に縦方向の継ぎ目の圧縮不足は、舗装の寿命を 30 ～ 40% 短縮する可能性があります。施工後の舗装にサービス溝を設けると、舗装の寿命が 50% 短縮されると言われています^[20]。これは主に溝の圧縮不足と、適切に密閉されていない継ぎ目からの浸水が原因です。

環境要因には、暑さや寒さ、舗装の下にある路盤または路床土壌内の水分の存在、凍上などがあります。

高温によりアスファルト結合剤が柔らかくなり、重いタイヤ荷重で舗装が変形して轍ができます。逆説的に、高温と強い日光はアスファルトの酸化も引き起こし、アスファルトが硬くなり弾力性が低下してひび割れが発生します。低温ではアスファルトが収縮してひび割れが生じることがあります。また、冷たいアスファルトは弾力性が低下し、ひび割れが発生しやすくなります。

舗装の下に溜まった水は路盤と路床を柔らかくし、道路を交通負荷に対してより脆弱にします。路下の水は寒い天候で凍結して膨張し、ひび割れを引き起こしたり拡大したりします。春の雪解けでは、地面が上から下に解けるため、上部の舗装とその下のまだ凍っている土壌の間に水が溜まります。この飽和した土壌層は上部の道路をほとんど支えることができず、道路に穴が開きます。これは砂や砂利の土壌よりもシルトや粘土の土壌でより問題になります。一部の管轄区域では、春の雪解けシーズン中にトラックの許容重量を減らして道路を保護するために凍結法を制定しています。

車両が引き起こす損傷は、車軸荷重の4乗にほぼ比例するため、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。^[21]車輪により道路がわずかにたわみ、疲労亀裂が生じ、それがしばしばワニ割れにつながります。車両の速度も役割を果たします。ゆっくりと走行する車両は、長期間にわたって道路にストレスを与え、アスファルト舗装のわだち掘れ、亀裂、波状路面を増加させます。

その他の損傷の原因としては、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ます。

劣化の予防と修復

道路の寿命は、適切な設計、施工、メンテナンスによって延ばすことができます。設計の際には、エンジニア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、路盤がどの程度の荷重に耐えられるかを評価します。舗装と路盤の厚さは、車輪の荷重に耐えられるように設計されます。時には、路盤を補強して道路をさらに強化するためにジオグリッドが使用されます。溝、雨水排水溝、暗渠などの排水設備は、路盤から水を取り除き、路盤と路盤の弱化を防ぐために使用されます。^[22]

シールコートアスファルトは、水や石油製品が舗装路面に侵入するのを防ぐメンテナンス対策です。

溝や雨水排水管の維持管理と清掃は、低コストで道路の寿命を延ばします。アスファルトひび割れシーラーで小さなひび割れを密閉すると、霜による風化で水がひび割れを拡大したり、路盤に浸透して路盤を軟化させたりすることを防ぎます。

より劣化した道路には、チップシールまたは類似の表面処理を施すことができます。亀裂の数、幅、長さが増すにつれて、より徹底した修復が必要になります。一般的に費用が増加する順に、薄いアスファルトオーバーレイ、複数層のオーバーレイ、上層の削り取りとオーバーレイ、現場でのリサイクル、または道路の全面的な再構築などがあります。

道路を良好な状態に保つことは、劣化してから修復するよりもはるかに安価です。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、良好な状態の道路の予防保守を優先しています。状態の悪い道路は、リソースと予算が許す限りアップグレードされます。生涯コストと長期的な舗装状態の観点から、これはシステムのパフォーマンスの向上につながります。状態の悪い道路の修復に集中する機関は、すべての道路を修復した頃には、状態が良かった道路が劣化していることに気付くことがよくあります。^[23]

一部の機関では、メンテナンスと修理の優先順位付けを支援するために舗装管理システムを使用しています。

リサイクル

アスファルトコンクリートは、現場でもアスファルト工場でも再生・再利用できるリサイクル可能な材料です。^[24]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（RAP）です。RAPは、米国では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。^[25]多くの屋根材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ミックスには再生アスファルトシングル（RAS）が含まれている場合があります。研究では、RAPとRASは、ミックス内のバージン骨材とアスファルトバインダーの最大100％を置き換えることができることが実証されていますが、^[26]この割合は通常、規制要件と性能上の懸念から低くなります。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、平均で21.1％のRAPと0.2％のRASが含まれていました。^[25]

リサイクル方法

リサイクルされたアスファルト成分は、再生されてアスファルト工場に運ばれ、処理されて新しい舗装に使用されるか、リサイクルプロセス全体がその場で行われる場合があります。^[24]インプレースリサイクルは通常、道路上で行われ、RAPに特化していますが、アスファルト工場でのリサイクルでは、RAP、RAS、またはその両方が利用される場合があります。2019年には、米国のアスファルト工場で推定9,700万トンのRAPと110万トンのRASが受け入れられました。^[25]

RAPは通常、現場で粉砕された後に工場に送られますが、舗装材はより大きな部分で剥がされて工場で粉砕されることもあります。RAP粉砕物は通常、新しいアスファルト混合物に組み込む前に工場に備蓄されます。混合する前に、備蓄された粉砕物は乾燥され、保管中に凝集したものは粉砕される必要がある場合があります。^[24]

RASは、アスファルト工場がシングル工場から直接製造廃棄物として受け取る場合もあれば、耐用年数を終えた消費者廃棄物として受け取る場合もあります。^[25] RASの処理には、シングルの粉砕と、粉砕物をふるいにかけて大きすぎる粒子を取り除くことが含まれます。粉砕物は、釘やその他の金属片を取り除くために磁気ふるいにかけることもあります。粉砕されたRASはその後乾燥され、アスファルトセメントバインダーが抽出されます。^[27] RASの処理、性能、および関連する健康と安全に関する懸念の詳細については、アスファルトシングルを参照してください。

インプレースリサイクル法では、既存の舗装を再利用し、再混合し、現場で再舗装することで道路を修復することができます。インプレースリサイクル技術には、砕石敷設、ホットインプレースリサイクル、コールドインプレースリサイクル、全深度再生などがあります。^[24]^[28]インプレース法の詳細については、道路表面を参照してください。

パフォーマンス

アスファルトセメントバインダーは、一般的なアスファルトコンクリートミックスの約5～6％を占め、^[29]自然に硬化して硬くなります。^[30]^[31]^[24]この老化プロセスは、主に酸化、蒸発、浸出、および物理的硬化によって発生します。^[24]このため、RAPとRASを含むアスファルトミックスは、作業性が低下し、疲労亀裂が発生しやすくなります。^[26]^[27]これらの問題は、リサイクル成分がミックス内で正しく配分されていれば回避できます。^[30]^[26] RAPの備蓄を湿気の多い場所や直射日光の当たらない場所に保管するなど、適切な保管と取り扱いを実践することも、品質の問題を回避する上で重要です。^[26]^[24]バインダーの老化プロセスは、RAPとRASを含むアスファルトのわだち掘れ耐性の向上に寄与するなど、いくつかの有益な特性を生み出すこともあります。^[31]^[32]

RAPとRASの性能面のバランスをとるための1つの方法は、リサイクル成分をバージン骨材とバージンアスファルトバインダーと組み合わせることです。この方法は、混合物中のリサイクル含有量が比較的低い場合に効果的であり、^[30]柔らかいバージンバインダーでより効果的に機能する傾向があります。^[31] 2020年の研究では、柔らかく低品位のバージンバインダーを含む混合物に5％のRASを追加すると、十分な疲労亀裂耐性を維持しながら、混合物のわだち掘れ耐性が大幅に向上することがわかりました。^[32]

リサイクル成分の多い混合物では、バージンバインダーの添加効果が低くなるため、再生剤が使用されることがあります。^[30]再生剤は、古くなったバインダーの物理的および化学的特性を回復させる添加剤です。^[31]アスファルト工場で従来の混合方法を使用する場合、再生剤が必要になるまでのRAP含有量の上限は50％と推定されています。^[26]研究では、最適な量の再生剤を使用すると、100％リサイクル成分を含む混合物で従来のアスファルトコンクリートの性能要件を満たすことができることが実証されています。^[26]^[30]