JP2015108269A - 道路用材料及び舗装体 - Google Patents

Abstract

【課題】より熱伝導度の高い舗装体及びそれに用いる道路用材料を提供する。【解決手段】本発明の道路用材料は、固体粒子と化学結合しているカーボンナノファイバーを含むように構成したので、固体粒子とカーボンナノファイバーの間の熱抵抗が低く、また、カーボンナノファイバーを均一に分散させやすく、パーコレートしたカーボンナノファイバーのネットワークが形成されやすいため、カーボンナノファイバーを介して熱が伝わりやすく、熱伝導度の高い舗装体を形成できる。【選択図】なし

Description

本発明は、道路用材料及び舗装体に関する。

舗装体として例えば寒冷地の車道や歩道では、降雪による凍結のおそれがあり、各種方法により舗装体の表面における凍結の防止が図られている。こうした舗装体においては、当該舗装体の裏面側にヒータや地下水が流通する流路などが配置されている。このヒータや地下水から供給される熱エネルギーが舗装体の表面に伝導され、凍結の防止が図られている。従って、舗装体の裏面側に供給される熱エネルギーを舗装体の表面に効率的に伝導するため、熱伝導度の高い舗装体の開発がなされている。

特許文献１には、Ａｌ_２Ｏ_３の含有量が８０重量％以上、ＳｉＯ_２の含有量が０〜２０重量％であり、コランダム結晶相を主たる構成鉱物相の一つとしたアルミナ質焼結骨材を用いた舗装体が開示されている。

特許文献２には、粗骨材は１．２ｍｍのふるいを通過せず２０ｍｍのふるいを通過する粗骨材からなり、細骨材は２．５ｍｍのふるいを通過し０．６ｍｍの加積通過百分率は６０質量％以上のチャート砂からなる舗装体が開示されている。

特許文献３には、結晶質石英を６０質量％含むアスファルト層を備えた舗装体が開示されている。

特開２００２−３６３９０９号公報（請求項１、００１０） 特開２０１１−４７１２２号公報（請求項６、００１５） 特開２００６−３７７０２号公報（請求項１、０００９）

しかしながら、特許文献１〜３に開示される舗装体は、熱伝導度が２〜５Ｗ／ｍＫと低い。そのため、熱エネルギーをより有効に利用するため、さらに熱伝導度の高い舗装体が求められている。

そこで、本発明は、より熱伝導度の高い舗装体及びそれに用いる道路用材料を提供することを目的とする。

本発明の第１の観点は、固体粒子と、前記固体粒子と化学結合しているカーボンナノファイバーとを含むことを特徴とする。

本発明の第２の観点は、第１の観点に基づく発明であって、触媒粒子を介して前記固体粒子と化学結合しているカーボンナノファイバーを含むことを特徴とする。

本発明の第３の観点は、第１又は第２の観点に基づく発明であって、前記化学結合は、イオン結合、共有結合、金属結合から選ばれる１種以上であることを特徴とする。

本発明の第４の観点は、第１〜第３の観点のいずれかに基づく発明であって、前記固体粒子は、触媒元素を含む、銅スラグ、鉄鋼スラグ、フェロニッケルスラグ、再生骨材、焼却灰溶融スラグ、フライアッシュから選ばれる１種以上で形成されることを特徴とする。

本発明の第５の観点は、第１〜第４の観点のいずれかに基づく道路用材料を用いて形成したことを特徴とする。

本発明の第１〜第３の観点の道路用材料は、固体粒子と化学結合しているカーボンナノファイバーを含むので、固体粒子とカーボンナノファイバーの間の熱抵抗が低い。また、カーボンナノファイバーを均一に分散させやすく、パーコレートしたカーボンナノファイバーのネットワークが形成されやすい、すなわち、道路用材料全体に熱を伝導できるカーボンナノファイバーのネットワークが形成されやすい。そのため、第１〜第３の観点の道路用材料は、カーボンナノファイバーを介して熱が伝わりやすく、熱伝導度の高い舗装体を形成できる。

本発明の第４の観点の道路用材料は、道路用材料の製造工程において、固体粒子に触媒元素を担持させる工程を省略できる。

本発明の第５の観点の舗装体は、固体粒子と化学結合しているカーボンナノファイバーを含むことにより熱伝導度が高いので、舗装体の裏面側に供給される熱エネルギーを舗装体の表面に効率的に伝導することができる。

以下、本発明の実施形態について詳細に説明する。なお、本明細書においてカーボンナノファイバーとは、直径が０．１ｎｍ以上５００ｎｍ未満であるカーボンナノファイバーと、カーボンナノファイバーと化学構造が同様であり、直径が５００ｎｍ以上５００μｍ以下であるカーボンマイクロファイバーとを意味するものとする。

１．第１実施形態
（１）道路用材料の構成
道路用材料は、固体粒子と化学結合しているカーボンナノファイバーを含む混合物である。固体粒子は、カーボンナノファイバーを合成する時に用いられる触媒元素、例えば、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ａｇ、Ａｕ、Ｃｕ及びＭｏから選ばれる１種以上の元素を含んでいる。触媒元素は、固体粒子の内部や表面に触媒粒子として存在している。当該触媒粒子は固体粒子と化学結合している。固体粒子は、廃棄物であり、上記触媒元素を含んでいる、銅スラグ、鉄鋼スラグ、フェロニッケルスラグ、再生骨材、焼却灰溶融スラグ、フライアッシュから選ばれる１種以上を粉砕処理して形成される。

道路用材料に含まれるカーボンナノファイバーの一部は、一端が固体粒子の触媒粒子と化学結合することで、触媒粒子を介して固体粒子に結合している。また、それ以外のカーボンナノファイバーの一部は、一端が固体粒子と直接化学結合しており、当該カーボンナノファイバーの他端に触媒粒子が化学結合している。固体粒子と触媒粒子、触媒粒子とカーボンナノファイバー、及び固体粒子とカーボンナノファイバーの化学結合は、イオン結合、共有結合、金属結合から選ばれる１種以上である。さらに、カーボンナノファイバーの一部は、固体粒子と化学結合していない。

道路用材料は、カーボンナノファイバーが化学結合している固体粒子を含み、固体粒子同士の間にカーボンナノファイバーが介在するように構成されている。そして固体粒子は、カーボンナノファイバーと化学結合しており、カーボンナノファイバーを介してネットワークを形成している。固体粒子は、当該カーボンナノファイバーのネットワークを介して他の固体粒子と熱的に接続されている。

（２）道路用材料の製造方法
道路用材料の製造方法では、固体粒子をカーボンナノファイバー合成用触媒として用いてカーボンナノファイバーを合成し、道路用材料を得る。

道路用材料の製造方法は、（ａ）固体粒子を基板上に配置する配置工程と、（ｂ）固体粒子中の触媒元素を活性化させる活性化工程と、（ｃ）カーボンナノファイバーを気相成長法により合成する合成工程とを有する。

最初に、（ａ）配置工程ではまず、所定粒径の固体粒子をアルコール等の溶媒に懸濁する。その懸濁液を石英等の基板上に散布し、溶媒を乾燥させることで、固体粒子を基板上に配置する。

次に、（ｂ）活性化工程では、基板上に配置された固体粒子を、例えばＨ_２を含む還元性ガス雰囲気中において３００〜１３００℃の間の所定温度に加熱して所定の時間還元処理し、固体粒子中の触媒元素を活性化させる。ここで活性化とは、固体粒子中の触媒元素の酸化物を還元することを指す。固体粒子中の触媒元素を活性化することで、固体粒子中に触媒粒子が形成される。還元処理の温度を上記と規定したのは、下限温度未満又は上限温度を超える温度で還元処理を行うと、合成工程においてカーボンナノファイバーが成長しないからである。

次いで、（ｃ）合成工程では、固体粒子をカーボンナノファイバー合成用触媒として用い、３００〜１３００℃の間の所定温度（成長温度）で、基板上に配置された固体粒子に、ＣＯ、ＣＨ_４、Ｃ_２Ｈ_４、Ｃ_２Ｈ_２、ＣＨ_３ＯＨ、Ｃ_２Ｈ_５ＯＨ等のカーボンナノファイバーの原料となるガスを１種類以上含む所定のガスを所定の時間（成長時間）供給してカーボンナノファイバーを合成し、固体粒子の触媒粒子からカーボンナノファイバーを成長させる。合成工程において、合成されたカーボンナノファイバーの一部は、触媒粒子がカーボンナノファイバーの先端に結合し、そこから成長が進むいわゆるＴｉｐ ｇｒｏｗｔｈモードによる成長をするため、根元となる一端は固体粒子と直接化学結合する。当該カーボンナノファイバーの他端には触媒粒子が化学結合している。なお、成長温度を上記と規定したのは、下限温度未満又は上限温度を超える温度では、カーボンナノファイバーが成長しないからである。

以上の工程を経て、固体粒子と化学結合しているカーボンナノファイバーを含む道路用材料は製造される。

このように、道路用材料の製造方法では、固体粒子がカーボンナノファイバーを合成する時に用いられる触媒元素を含むので、固体粒子をそのままカーボンナノファイバー合成用触媒として用いることができ、固体粒子に触媒粒子を担持させる必要がない。

（３）作用及び効果
以上の構成において、道路用材料は、固体粒子と化学結合しているカーボンナノファイバーを含むように構成したので、固体粒子とカーボンナノファイバーの間の熱抵抗が低い。また、カーボンナノファイバーを均一に分散させやすく、パーコレートしたカーボンナノファイバーのネットワークが形成されやすい。そのため、道路用材料は、カーボンナノファイバーを介して熱が伝わりやすく、熱伝導度の高い舗装体を形成できる。また、道路用材料は、曲げ強度が高いので、表面にひび割れが生じにくい舗装体を形成できる。

２．第２実施形態
（１）道路用材料の構成
道路用材料は、固体粒子と化学結合しているカーボンナノファイバーを含む混合物である。固体粒子は、カーボンナノファイバーを合成する時に用いられる触媒元素、例えば、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ａｇ、Ａｕ、Ｃｕ及びＭｏから選ばれる１種以上を含む触媒粒子を担持している。固体粒子は、シリカ、アルミナ、マグネシア、カルシア、ジルコニア等の単成分酸化物、窒化アルミ、窒化ケイ素等の単成分窒化物、炭化ケイ素等の単成分炭化物、ムライト、フェライト、岩石等の多成分系酸化物等から選ばれる１種以上から形成される。

道路用材料に含まれるカーボンナノファイバーの一部は、一端が固体粒子の触媒粒子と化学結合することで、触媒粒子を介して固体粒子に結合している。また、それ以外のカーボンナノファイバーの一部は、一端が固体粒子と直接化学結合しており、当該カーボンナノファイバーの他端に触媒粒子が化学結合している。固体粒子と触媒粒子、触媒粒子とカーボンナノファイバー、及び固体粒子とカーボンナノファイバーの化学結合は、イオン結合、共有結合、金属結合から選ばれる１種以上である。さらに、カーボンナノファイバーの一部は、固体粒子と化学結合していない。

道路用材料は、カーボンナノファイバーが化学結合している固体粒子を含み、固体粒子同士の間にカーボンナノファイバーが介在するように構成されている。そして固体粒子は、カーボンナノファイバーと化学結合しており、当該カーボンナノファイバーを介して他の固体粒子と熱的に接続されている。

（２）道路用材料の製造方法
道路用材料の製造方法では、固体粒子に触媒粒子を担持させ、触媒粒子を担持した固体粒子をカーボンナノファイバー合成用触媒として用いてカーボンナノファイバーを合成し、道路用材料を得る。

まず、固体粒子に触媒粒子を担持させる方法を説明する。所定量の（ＣＨ_３ＣＯＯ）_２Ｆｅと所定の平均粒径の固体粒子とをエタノールに投入し、超音波分散させる。その後に、所定温度に加熱された乾燥器で、所定時間、固体粒子を分散させたエタノール溶液を乾燥させる。エタノール溶液の乾燥により得られた粉末をミルで粉砕し、Ｆｅを含む触媒粒子を担持した固体粒子を得る。

カーボンナノファイバーの合成方法は、第１実施形態の道路用材料の製造方法と同じであるので説明を省略する。

（３）作用及び効果
第２実施形態の道路用材料は、固体粒子と化学結合しているカーボンナノファイバーを含むので第１実施形態と同様の効果を奏する。

３．道路用材料の用途
本発明の道路用材料は、例えば舗装体としてのアスファルト舗装体の材料として利用できる。アスファルト舗装体は、舗装の表層であり、路盤上にアスファルト混合物を敷き、敷設したアスファルト混合物を締固めて形成される。アスファルト混合物は、細骨材、粗骨材、フィラー、アスファルトを含み、これらを加熱混合して作製される混合物である。当該アスファルト混合物の細骨材として本発明の道路用材料を用いることができる。なお、路盤は、路床上に砕石等を敷き固めて形成される。

本発明の道路用材料を用いて作製されたアスファルト混合物は、固体粒子と化学結合しているカーボンナノファイバーを含むので、カーボンナノファイバーを均一に分散させやすく、パーコレートしたカーボンナノファイバーのネットワークが形成されやすい。そのため、固体粒子同士がカーボンナノファイバーのネットワークを介して熱的に接続されており、カーボンナノファイバーを介して混合物全体に熱が伝わりやすい。また、固体粒子とカーボンナノファイバーとが化学結合しているので、固体粒子とカーボンナノファイバーの間の熱抵抗が低く、さらに熱が伝わりやすい。それゆえに、道路用材料を用いて作製されたアスファルト混合物は熱伝導度が高い。

よって、当該アスファルト混合物を用いて形成したアスファルト舗装体は、熱伝導度が高い。そのため、地中の熱をアスファルト舗装体の表面に効率的に伝導でき、アスファルト舗装体の表面の凍結を抑制できる。また、アスファルト舗装体の裏面側にヒータを設置した場合は、ヒータの熱を効率的にアスファルト舗装体の表面に伝導することができる。

また、アスファルト混合物は、固体粒子と化学結合しているカーボンナノファイバーを含むので、カーボンナノファイバーを均一に分散させやすく、カーボンナノファイバーの均一なネットワークが形成されやすい。そのため、曲げ強度の高いカーボンナノファイバーのネットワークがいたるところに存在し、アスファルト混合物としても曲げ強度が高い。よって、当該アスファルト混合物を用いて形成したアスファルト舗装体は、アスファルト舗装体の表面にひび割れを生じにくい。

４．実施例
実施例１では、まず、平均粒径がＤｖ５０＝１ｍｍに粉砕処理された、組成がＣａＯ：４６ｗｔ％、ＳｉＯ_２：１１ｗｔ％、Ｔ−Ｆｅ：１７ｗｔ％（Ｔ−ＦｅはＦｅを含む成分中からＦｅのみを抽出したときのＦｅの量を表す。）、ＭｇＯ：７ｗｔ％、Ａｌ_２Ｏ_３：２ｗｔ％、Ｐ_２Ｏ_５：２ｗｔ％、ＭｎＯ：５ｗｔ％である転炉系の鉄鋼スラグを固体粒子として用意し、当該粉砕された鉄鋼スラグ１００ｇをアルコールに懸濁した。その懸濁液を石英基板上に散布し、溶媒を乾燥させることで、粉砕された鉄鋼スラグを基板上に配置した。次に、基板上に配置された粉砕された鉄鋼スラグを、Ｈ_２及びＨｅを含むガス雰囲気中において、４５０℃に加熱して１時間還元処理し、粉砕された鉄鋼スラグ中の触媒元素を活性化させた。次いで、基板上の粉砕された鉄鋼スラグにＣＯ及びＨ_２の混合比が５０：５０の混合ガス供給し、成長時間１時間、成長温度４５０℃でカーボンナノファイバーを合成し、第１実施形態の道路用材料を得た。その後、粗骨材として岩石を粉砕し、ふるいにかけて粒度を５〜２０ｍｍにしたものを３８ｗｔ％、細骨材として製造した第１実施形態の道路用材料を５０ｗｔ％、フィラーとして石灰岩を粉砕し、ふるいにかけて粒度を０．１ｍｍ以下にしたものを６ｗｔ％、富士興産株式会社製のアスファルトを６ｗｔ％の割合で含むようにこれらを１８０℃に加熱してパグミルミキサーで混合し、実施例１として、アスファルト混合物を作製した。

実施例２では、成長時間が２時間である点以外、実施例１と同じ条件で道路用材料を製造してアスファルト混合物を作製した。

実施例３では、まず、株式会社瓢屋より入手した、シリカを含む砂を１００ｇ用意し、平均粒径がＤｖ５０＝１ｍｍになるよう粉砕・分級を行い、固体粒子を形成した。その後１００ｇの（ＣＨ_３ＣＯＯ）_２Ｆｅと共にエタノール５Ｌ中に投入し、超音波分散させた。その後に、８０℃に加熱された乾燥器で、２４時間以上、砂を分散させたエタノール溶液を乾燥させた。エタノール溶液の乾燥により得られた粉末をミルで粉砕し、Ｆｅを含む触媒粒子を担持した砂を得た。その後、Ｆｅを含む触媒粒子を担持した砂をカーボンナノファイバー合成用触媒として用いてカーボンナノファイバーを合成し、第２実施形態の道路用材料を得た。実施例３として、当該道路用材料を細骨材として用いてアスファルト混合物を作製した。カーボンナノファイバーの合成条件とアスファルト混合物の作製条件は、実施例１と同じである。

比較例１として、実施例１と同じ粉砕された鉄鋼スラグを細骨材として用い、実施例１と同じ作製条件でアスファルト混合物を作製した。

また、作製したアスファルト混合物の特性を評価するために、上記のアスファルト混合物を用いてＪＩＳ Ａ １１３２規格に従った曲げ強度試験用供試体（１００ｍｍ×１００ｍｍ×４００ｍｍ）を作製し、ＪＩＳ Ａ １１０６規格に従った曲げ強度を測定した。測定にはＳＩＭＡＤＺＵ社製オートグラフを用いた。また、熱伝導度は京都電子工業株式会社製ＴＣ−３１測定機を用いて測定した。ここでは、これらの値をアスファルト混合物の熱伝導度及び曲げ強度とした。

以上の測定結果を表１に示す。

表１に示すように、実施例１〜３のアスファルト混合物は、本発明の道路用材料を用いていない比較例１のアスファルト混合物と比較して熱伝導度が高いことがわかる。実施例１〜３のアスファルト混合物は、固体粒子とカーボンナノファイバーとが化学結合しているので、固体粒子とカーボンナノファイバーの間の熱抵抗が低い。また、カーボンナノファイバーを均一に分散させやすく、パーコレートしたカーボンナノファイバーのネットワークが形成されやすい。そのため、そのカーボンナノファイバーのネットワークを介して熱が伝わりやすい。以上から、本発明の道路用材料を用いたアスファルト混合物は、固体粒子と化学結合しているカーボンナノファイバーを含むので、熱伝導度が高いことが確認できた。よって、当該アスファルト混合物を用いてアスファルト舗装体を形成することで、熱伝導度の高いアスファルト舗装体を形成できる。

また、表１に示すように、実施例１〜３のアスファルト混合物は、比較例１のアスファルト混合物と比較して曲げ強度が高いことがわかる。よって、本発明の道路用材料を用いたアスファルト混合物は、固体粒子と化学結合しているカーボンナノファイバーを含むので曲げ強度が高いことが確認できた。

５．変形例
本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨の範囲内で適宜変更することが可能である。

例えば、固体粒子の種類、担持させる触媒元素の種類、還元処理の方法、カーボンナノファイバーの合成方法、粗骨材の種類、フィラーの種類、アスファルトの種類等については、適宜変更することが可能である。

また、上記の第１実施形態では、固体粒子の原料として、銅スラグ、鉄鋼スラグ、フェロニッケルスラグ、再生骨材、焼却灰溶融スラグ、フライアッシュから選ばれる１つ以上を適用した場合について説明したが、本発明はこれに限られるものではなく、カーボンナノファイバーの触媒として用いられる元素を含んだ他の無機粒子を用いてもよい。

さらに上記の実施形態では、舗装体としてアスファルト舗装体を適用した場合について説明したが、本発明はこれに限られるものではなく、舗装体としてコンクリート舗装体やモルタル舗装体等を適用してもよい。

また、上記実施形態では、道路用材料をアスファルト舗装体に用いた場合について説明したが、本発明はこれに限られるものではなく、砕石に道路用材料を混合してアスファルト舗装体の路盤を形成してもよい。

さらに、上記実施形態では、アスファルト舗装体が単層である場合について説明したが、本発明はこれに限られるものでなく、アスファルト舗装体が基層と表層との２層構造をしていてもよく、本発明の道路用材料を表層にも基層にも用いてもよい。

Claims (5)

1. 固体粒子と、前記固体粒子と化学結合しているカーボンナノファイバーとを含むことを特徴とする道路用材料。
2. 触媒粒子を介して前記固体粒子と化学結合しているカーボンナノファイバーを含むことを特徴とする請求項１に記載の道路用材料。
3. 前記化学結合は、イオン結合、共有結合、金属結合から選ばれる１種以上であることを特徴とする請求項１又は２に記載の道路用材料。
4. 前記固体粒子は、触媒元素を含む、銅スラグ、鉄鋼スラグ、フェロニッケルスラグ、再生骨材、焼却灰溶融スラグ、フライアッシュから選ばれる１種以上で形成されることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の道路用材料。
5. 請求項１〜４のいずれか１項に記載の道路用材料を用いて形成したことを特徴とする舗装体。