JP2017502184A - 舗装リサイクルおよび土安定化のための発泡硫黄アスファルト - Google Patents

Abstract

発泡硫黄アスファルト安定化土および発泡硫黄アスファルトを製造する方法が提供される。発泡硫黄アスファルト安定化土には、発泡硫黄アスファルト、風乾した骨材、湿潤水およびポルトランドセメントが含まれる。発泡硫黄アスファルトには、アスファルト結合剤、元素硫黄、起泡空気および起泡水が含まれる。発泡硫黄アスファルトは、約６秒以上の発泡半減期を有し、８以上の発泡膨張比を有する。発泡硫黄アスファルトは、また、発泡硫黄アスファルト中に、元素硫黄とアスファルト結合剤の合計量の約１０重量％〜約３０重量％の範囲の量の元素硫黄を有する。

Description

本発明の分野は、発泡硫黄アスファルト、発泡硫黄アスファルト安定化土、および形成の方法に関する。

アスファルト被覆骨材（アスファルトセメント）、加熱アスファルトミックスおよび発泡アスファルトを含むアスファルト含有材料の製造および加工中に、約１５０℃（約３００°Ｆ）を超える作業温度は、作業員および設備に問題を引き起こす場合がある。元素硫黄および天然に存在するヘテロ有機化合物といったアスファルト中に存在する硫黄および硫黄化合物は、一般に、アスファルト中の他の構成成分および空気と約１５０℃を超える温度で反応し始める。硫黄は硫化水素（Ｈ２Ｓ）ガスを約１５１℃（約３０５°Ｆ）から形成し始め、これはヒトに有毒である。アスファルトを含む炭化水素環境中の遊離硫黄は、存在する炭化水素を脱水素化し、硫化水素を形成する。酸素の存在下で硫黄を高温に加熱すると、ヒトに有害で大気汚染物質である二酸化硫黄を形成する。

硫黄は豊富で安価な材料である。元素硫黄は非スウィート天然ガスおよび石油精製の副生物である。「遊離」硫黄の源は、石油精製所、およびガス・スウィートニング・プラントを含む。天然ガスおよび石油から抽出される硫黄の量のために、多数の硫黄生産者が元素硫黄を廃棄産物と考えている。

安全で効果的な方式でそれを処分することができる元素硫黄の商業用途を見つけることが望まれる。商品に硫黄を混和することで、潜在的な「廃棄」産物と多数が考えるものを実用的価値を有する産物に変貌させることができる。

発泡硫黄アスファルト安定化土を製造する方法は、アスファルト結合剤、元素硫黄および起泡空気および起泡水を発泡ミキサーに導入するステップを含む。起泡水は、起泡空気より高圧を有する。本方法は、発泡硫黄アスファルトを形成するように発泡ミキサーを運転するステップを含む。発泡硫黄アスファルトは、約６秒またはそれを超える発泡半減期を有し、８またはそれを超える発泡膨張比を有する。発泡ミキサーは約１５０℃以下の温度で運転する。本方法は、発泡硫黄アスファルト、含水比を有する骨材およびポルトランドセメントを骨材混合機に導入するステップを含む。本方法は、発泡硫黄アスファルト安定化土が形成されるように骨材混合機を運転するステップを含む。

発泡硫黄アスファルト安定化土は、発泡硫黄アスファルト、風乾した骨材、湿潤水およびポルトランドセメントを含む。発泡硫黄アスファルトは約６秒またはそれを超える発泡半減期を有し、８またはそれを超える発泡膨張比を有する。

発泡硫黄アスファルトを製造する方法は、アスファルト結合剤、元素硫黄、起泡空気および起泡水を発泡ミキサーに導入するステップを含む。起泡水は起泡空気より高い圧力を有する。本方法は、発泡硫黄アスファルトが形成されるように発泡ミキサーを運転するステップを含む。発泡硫黄アスファルトは、約６秒またはそれを超える発泡半減期を有し、８またはそれを超える発泡膨張比を有する。発泡ミキサーは約１５０℃以下の温度で運転する。

発泡硫黄アスファルトは、アスファルト結合剤、元素硫黄、起泡空気および起泡水を含む。発泡硫黄アスファルトは、約６秒またはそれを超える発泡半減期、８またはそれを超える発泡膨張比を有する。発泡硫黄アスファルトは、また、元素硫黄およびアスファルト結合剤の合計量の約１０重量％〜約５０重量％の範囲の量の元素硫黄を発泡硫黄アスファルト中に有する。

発泡硫黄アスファルト（ＦＳＡ）および発泡硫黄アスファルト安定化土（ＦＳＡＳＳ）は、炭化水素生産の副生物である元素硫黄を消費するための新しい手段である。遊離硫黄の使用はまた、充填剤として機能することによりアスファルト供給を拡張するように働く。元素硫黄もまた、発泡アスファルト安定化土組成物の特性を驚くほど高めることを見いだした。発泡アスファルト組成物への硫黄の添加は、製造されるＦＳＡＳＳの耐用年数を増す。発泡アスファルト組成物への硫黄の添加は、また、発泡アスファルト製品の製造温度を低下させ、エネルギーを節約し、しかも、硫化水素または硫黄酸化物のような有害または有毒硫黄ガスを生成しない。

発泡硫黄アスファルトおよび発泡硫黄アスファルト安定化土は、土安定化および舗装リサイクルのための通常の発泡アスファルトの代替法として世界中の建設業によって利用することができる。ＦＳＡＳＳは常温リサイクル技法を使用して生成することができる。道路骨材ベース、サブベースおよび再生アスファルト（すなわち、以前に施された）舗装ミックスは、発泡硫黄アスファルト安定化土を形成するのに有用な骨材である。また、ＦＳＡは、砂、泥灰およびサブカ土を含む様々な土類を安定させ、ＦＳＡＳＳを形成するのに有用である。本出願の目的としては、「土」および「骨材」は交換可能な用語である。安定化土の幾つかの共通の物理的性質は、ＦＳＡを用いて安定化させた場合、通常の発泡アスファルトに匹敵するか、またはより優れているかのどちらかである。

発泡硫黄アスファルトの使用は幾つかの利点を提供する。ＦＳＡは、１５０℃で製造することができ、通常の発泡アスファルトは１８０℃未満の温度で製造することはできないが、発泡膨張および半減期の要求事項をなお満たすことを見いだした。これは、省エネルギー（より低い温度での加工設備の運転）をもたらすのみならず、加えられた硫黄だけでなく、瀝青質中に天然に存在する硫黄からの、硫化水素および硫黄酸化物の放出も防止する。

発泡硫黄アスファルト安定化土製品は、従来の発泡アスファルト安定化土を超える幾つかの望ましい特性を有する。「廃棄」硫黄のための有用な貯蔵所として働くことに加えて、硫黄の包含はまた、驚くべきことに、特定の発泡硫黄アスファルト／土の組み合わせにおいて有用な物理的性質を与える。永久変形の減少が、泥灰土とのＦＳＡの組み合わせ、およびサブカ土とのＦＳＡの組み合わせの両方において生じる。これらの結果に基づいて、砂丘砂をサブカまたは泥灰土および発泡硫黄アスファルトとブレンドしてそのわだち掘れ耐性を改善することができ、道路および用地建設用に砂漠環境での骨材の種類および利用可能性が広がると考えられる。また驚くべきことに、すべてのＦＳＡＳＳについて耐久性（「安定度損失」）は、通常の発泡アスファルト安定化土対応物に対して向上した。さらに、発泡硫黄アスファルトを用いて安定化した土は、驚くべきことに、従来の発泡アスファルトを用いて処理された同じ土と比較して高いわだち掘れ抵抗性を有する。

本発明のこれらおよび他の特徴、態様および利点は、以下の好ましい実施形態の詳細な説明、添付の特許請求の範囲、および添付の図に関して一層よく理解される。

実施例および比較例の発泡アスファルト安定化土を形成するために使用した未処理の砂丘砂の粒径加積曲線を示すチャートである。

実施例および比較例の発泡アスファルト安定化土を形成するために使用したアル・アジジャ・サブカ土の粒度分布曲線を示すチャートである。

実施例および比較例の発泡アスファルト安定化土を形成するために使用したサブカ土の乾燥密度およびＣａｌｉｆｏｒｎｉａ Ｂｅａｒｉｎｇ Ｒａｔｉｏ（ＣＢＲ）に対する含水比の作用を示すチャートである。

実施例および比較例の発泡アスファルト安定化土を形成するために使用した泥灰土の粒度分布曲線について粒度分布曲線を示すチャートである。

実施例および比較例の発泡アスファルト安定化土を形成するために使用した泥灰土の乾燥密度への含水比の作用を示すチャートである。

実施例の発泡硫黄アスファルト安定化土を形成するために使用した３０／７０重量パーセント硫黄アスファルト結合剤の１５０℃での膨張比および半減期を示すチャートである。

発明の概要、図面の簡単な説明、発明を実施するための形態、および添付の特許請求の範囲を含む本明細書は、本発明の具体的な特徴（プロセスまたは方法のステップを含む）に言及する。本発明が、本明細書において記載される具体的な特徴のあらゆる組み合わせおよび使用を含むことを当業者は理解している。本発明が、本明細書において示される実施形態の記載に限定されず、またはその記載によって限定されないことを当業者は理解している。本発明の主題は、本明細書および添付の特許請求の範囲の趣旨以外には制限されない。

当業者は、具体的な実施形態を記載するために使用される用語が本発明の範囲または広さを限定しないことも理解している。本明細書および添付の特許請求の範囲を解釈する際に、すべての用語は、各用語の文脈と一致した可能な限り広い様式で解釈されるべきである。本明細書および添付の特許請求の範囲に使用されるすべての技術および科学用語は、別段定義されない限り、本発明が属する技術分野の当業者によって一般に理解されるものと同じ意味を有する。

本明細書および添付の特許請求の範囲に使用される場合、単数形「１つの（ａ）」、「１つの（ａｎ）」および「前記（ｔｈｅ）」は、文脈上別段明確に示さない限り、複数の言及を含む。動詞「含む（ｃｏｍｐｒｉｓｅｓ）」およびその活用形は、非排他的様式で要素、構成要素またはステップを指すと解釈されるべきである。参照される要素、構成要素またはステップは、明示的に言及されない他の要素、構成要素またはステップとともに存在し、利用され、組み合わせられてよい。

ある範囲の値が本明細書または添付の特許請求の範囲において与えられる場合、その間隔は、上限と下限との間の各介在値ならびに上限および下限を包含することが理解される。本発明は、与えられた特定の除外に対する間隔のより小さい範囲を包含し、境界を示す。

２つ以上の定義されるステップを含む方法に対して本明細書および添付の特許請求の範囲で言及がなされる場合、定義されるステップは、文脈がその可能性を排除する場合を除いて、任意の順序または同時に実行することができる。

特許または刊行物が本開示中に参照される場合、その参照は、本開示中になされた陳述と矛盾しない程度に、その全体が参照によって組み込まれる。

［発泡硫黄アスファルト］
発泡硫黄アスファルトはアスファルト結合剤を含む。有用な瀝青またはアスファルトは、石油蒸留（例えば、バキューム）、石炭、タールサンドもしくはオイルシェールの処理、または天然に存在する源（例えば、トリニダード湖）から生じ得る。ニートアスファルト（すなわち、遊離硫黄または他の添加剤を加えていない）は、単一の材料または幾つかのベースアスファルトのブレンドであってもよい。すべての種類のアスファルト結合剤は、「パフォーマンスグレード」アスファルトを含む発泡硫黄アスファルトを作るのに役に立つ。しかし、乳化アスファルトおよびカットバックアスファルトは、発泡させることができないので、使用できない。「パフォーマンスグレード」のアスファルト結合剤は、ＡＡＳＨＴＯパフォーマンスグレードのアスファルト結合剤規格Ｍ３２０のパフォーマンスグレード表（「表１」）に列挙された特性に基づく。発泡硫黄アスファルトの実施形態は、パフォーマンスグレード６４−１０（ＰＧ６４−１０）のアスファルト結合剤を含む。

発泡硫黄アスファルトは元素硫黄を含む。元素または「遊離」の硫黄は、単一硫黄原子だけでなく、α−硫黄（斜方硫黄）、β−硫黄（単斜硫黄）および「カテナ」硫黄を含む、錯体および他の硫黄原子に共有結合した硫黄も含む。硫黄原子の鎖または環は、少数の硫黄原子から何百もの共有結合で連結した硫黄原子の範囲であってもよい。元素硫黄の同素体はすべて、硫黄伸展組成物に使用するのに適切である。炭素、水素またはヘテロ有機化合物を含む他の原子種などの非硫黄原子と共有結合した硫黄は、「遊離」または元素硫黄とは考えられない。同素体の広い多様性のために、元素硫黄は、種々の固体および液体形態で見られ、加熱および圧力を含むその環境変化に基づき形態間で変化することができる。遊離硫黄の分子構造に応じて、硫黄の融点は約１１５℃〜約１４０℃の間で変化する。しかし、通常、ペレットまたは粉末固体の形態、または溶融した液体形態のいずれかで扱われる。

発泡硫黄アスファルトは８またはそれを超える発泡膨張比を有する。発泡膨張比は、発泡ミキサーから排出される発泡アスファルトの体積に対する、膨張した発泡アスファルトの体積比である。

発泡硫黄アスファルトは、約６秒またはそれを超える発泡半減期を有する。発泡半減期は、ピーク膨張の時点から、発泡アスファルトがそのピーク膨張体積の半分に崩壊する時点の間の期間として求められる。

［発泡硫黄アスファルトの形成］
発泡硫黄アスファルトを製造する方法は、遊離硫黄およびアスファルト結合剤を発泡ミキサーに導入するステップを含む。遊離硫黄およびアスファルト結合剤の導入は、分けることができ、または、組み合わせた材料として、すなわち硫黄アスファルト結合剤として導入してもよい。本方法の実施形態は、遊離硫黄およびアスファルト結合剤を、硫黄アスファルト結合剤として発泡ミキサーに導入するステップを含む。元素硫黄の量は、元素硫黄およびアスファルト結合剤の合計量の約１０重量％〜約５０重量％の範囲である。本方法の実施形態は、導入される硫黄アスファルト結合剤が、硫黄アスファルト結合剤の重量の、約３０重量％の遊離硫黄および約７０重量％のニートアスファルト結合剤を含む場合を含む。硫黄アスファルト結合剤は、その場でブレンドされても先に形成されてもよい。本方法の実施形態は、硫黄アスファルト結合剤が形成されるように遊離硫黄およびアスファルト結合剤をプレミキサーに導入するステップ、次いで、別々に導入されるアスファルト結合剤および元素硫黄の代わりに硫黄アスファルト結合剤を発泡ミキサーに導入するステップを含む。

発泡ミキサーへの遊離硫黄の導入方法に関係なく−前もって形成された硫黄アスファルト結合剤の一部としてまたは別々に−そのような遊離硫黄の導入方法の実施形態は、溶融した液体として遊離硫黄を導入するステップを含む。溶融硫黄は、ニートアスファルトと低いせん断環境で混合して硫黄アスファルト結合剤を形成することができ、次いで、これは発泡ミキサーに導入されるか、または直接発泡ミキサーに導入される。例えば、常温リサイクル運転のために、ニートアスファルトおよび遊離硫黄は、両方が溶融する温度で別個の容器中に維持される。溶融遊離硫黄および溶融ニートアスファルトは、硫黄アスファルト結合剤が発泡ミキサーに導入される直前にバインダミキサーで互いに導入されて硫黄アスファルト結合剤を形成する。そのような遊離硫黄の導入方法の実施形態は、固体として遊離硫黄を導入するステップを含む。固体の元素硫黄は、粉末またはペレットとして導入され、通常、高いせん断下でニートの溶融アスファルトとブレンドされ、アスファルトに硫黄が完全に混和される。アスファルトは硫黄の溶融温度よりも低い、またはその温度以上の温度に維持することができるが、より高温が混和を助けると知られている。

発泡硫黄アスファルトを製造する方法は、発泡ミキサーに起泡水を導入するステップを含む。本方法の実施形態は、発泡硫黄アスファルトが約２．３重量％〜約４．７重量％の範囲の含水比を有するように起泡水を導入するステップを含む。発泡硫黄アスファルトの実施形態は、発泡硫黄アスファルトが約２．３重量％〜約４．７重量％の範囲の含水比を有する場合を含む。アスファルトに導入される水の比率を変えると、生じる発泡アスファルト組成物の膨張比および半減期が操作される。図６に示すように、３０／７０重量％の硫黄アスファルト結合剤を使用して導入される起泡水の量を変え、１５０℃での幾つかの発泡硫黄アスファルト含水比値で膨張比および半減期が決まる。発泡硫黄アスファルトの含水比は、８倍の最小膨張比および６秒の最小半減期を与えるように選択される。図６によると、３０／７０重量％の発泡硫黄アスファルト結合剤は、約２．３重量％〜約４．７重量％の範囲の含水比を用いると膨張係数および半減期の要件を満たす。

発泡ミキサーは約１４０℃〜約１５０℃の範囲の温度で運転する。１５０℃を超える温度での発泡ミキサーの運転は、加圧された起泡空気の存在下での硫黄とアスファルトの組み合わせからの可燃性ガス（例えば、硫化水素）、および有毒／有害なガス発生の可能性のために推奨されない。

［発泡硫黄アスファルト安定化土の形成］
発泡硫黄アスファルト安定化土を製造する方法は、含水比を有する骨材を骨材混合機に導入するステップを含む。発泡硫黄アスファルト安定化土を製造する方法の実施形態において、骨材は、ある量の水と前もって混合することができる。一実施形態において、前もって行った混合の後の骨材の含水比が骨材の締固めにほぼ最適な含水比となるような水の量が適切である。別の実施形態において、本方法は、その組み合わせが骨材の締固めにほぼ最適な含水比の含水比を有する骨材を形成するように湿潤水を骨材に導入するステップを含む。別の実施形態において、本方法は、湿潤水および導入される骨材の組み合わせが約０．５（Ｗ_ＯＭＣ）＋１の含水比を有する骨材を形成するように、湿潤水を導入するステップを含み、Ｗ_ＯＭＣは、導入される骨材の最適な含水比を（重量パーセントで）決定したものである。そのような実施形態について、風乾した骨材として導入される骨材の含水比（重量パーセント）は、ほぼ風乾した骨材の含水比から、骨材の締固めのほぼ最適な含水比未満の範囲にある。

発泡硫黄アスファルトは、発泡ミキサーを通過して１３０℃以下の温度で骨材に導入される。

発泡硫黄アスファルト安定化土を製造する方法の実施形態は、風乾基準で骨材の重量の約０．１重量％〜約２重量％の範囲のポルトランドセメントの量を導入するステップを含む。ポルトランドセメントは、土および砂などの細骨材に特定量の接着特質を加える。

具体的な実施形態の実施例は、発泡硫黄アスファルトおよび発泡硫黄アスファルト安定化土の使用のより良好な理解を容易にする。実施例は、本発明の範囲を決して限定したり定義したりするものではない。

東サウジアラビアからの３種の主要な土を、異なる２種の発泡アスファルト組成物−発泡硫黄アスファルト（実施例）および発泡アスファルト（比較例）−に関連して発泡アスファルトへの硫黄添加の影響の物理的な比較試験用の一連の実験用安定化土試料を形成するために使用する。

［混合装置］
混合装置で実施例および比較例の発泡アスファルト組成物の両方を形成する。発泡アスファルトの実物規模生産を精密にシミュレートする、実験室規模の発泡アスファルトプラントである混合機付きＷＬＢ１０（Ｗｉｒｔｇｅｎグループ；独国）を実験に使用する。

混合機付きＷＬＢ１０は、アスファルト結合剤を加熱し維持するための温度制御を有する断熱釜を備える。混合装置はまた、発泡アスファルト組成物を形成するためにアスファルト結合剤、水および空気を互いに導入するための較正分配システムを備える。混合装置は、所定容量のアスファルト結合剤、水および空気を発泡ミキサーに注入して発泡アスファルト組成物を形成する。膨張室である発泡ミキサーは温度調節される。発泡アスファルト組成物は閉鎖系で形成される。潜在的に有害または有毒な硫黄ガスの発生による煙霧は、環境に、または混合装置の運転者に放出されない。

実験のために、ＷＬＢ１０の空気流ゲージは、周囲温度で約５バールの空気導入圧に較正する。空気導入圧は約５バール〜約９バールの範囲であってもよい。実験について、水流ゲージは、周囲温度で約６バールの水導入圧に較正する。起泡水導入圧は、空気の侵入を回避するために発泡空気圧より少なくとも１バール高い圧力に維持する。飲料水は導入水として役立つ。アスファルト結合剤の流速は、アスファルト結合剤の導入温度の操作により維持する。

発泡アスファルト組成物は、発泡ミキサーから発泡アスファルトノズルを通って排出される。一定量の発泡アスファルト組成物は、実験骨材混合容器の骨材の試料に直接排出される。実験室混合機は、骨材および発泡アスファルト組成物の組み合わせを攪拌して試験用の発泡硫黄アスファルト安定化土を形成する。

［土の種類］
比較例の安定化土試料の形成に使用する、東サウジアラビアからの３種の主要な土は、砂丘砂、サブカ土および泥灰土である。骨材試料はすべて導入前に風乾してある。

［砂丘砂］
砂は、サウジアラビアだけでなく世界中の多数の国においても広く入手可能で安価な資源である。適切に安定化させれば砂の効果的使用が道路建設用に可能になる。未処理の砂丘砂の試料の粒径加積曲線を図１に示す。集めた未処理の砂丘砂の特性は、標準骨材および土質試験によって求め、表１に要約する。砂丘砂の最適な含水比は約０％である。

表１：未処理の砂丘砂の標準骨材および土質試験結果。

［サブカ土］
サブカ土はアル・アジジャ・サブカ平原から採取される。未加工の土は、地下水面より上の層すべてを含むが、地表の外皮を除外している。風乾するために、土を実験室外のビニールシートに広げる。プラスチックハンマーを使用して結晶および塊を壊し、結果として得られた土は、ＡＳＴＭふるいＮｏ．４に通す。ふるいにかけた土を、混合および試験までプラスチックドラム中で混合し保持する。

サブカ土の粒度分布曲線を図２に示す。２種類の湿式ふるい分析を遂行してサブカ土を特性評価する。１つの試験は、蒸留水を使用し、他方は「サブカブライン」、すなわち土が回収されるのと同じ採掘場に存在する塩水を使用する。両試験は、２本の曲線で、サブカ土の砂の組成を明示する（図２）。これらの結果に基づいて、サブカ土は、統一土質分類法（Ｕｎｉｆｉｅｄ Ｓｏｉｌ Ｃｌａｓｓｉｆｉｃａｔｉｏｎ Ｓｙｓｔｅｍ、ＵＳＣＳ）に従って「ＳＰ」、およびＡＡＳＨＴＯ分類に従って「Ａ−３」と分類することができる。

サブカ土の試験は、モールドの中の土の含水比と乾燥密度値の間の関係を求めるために修正プロクター締固め試験（ＡＳＴＭ Ｄ１５５７）を使用し、サブカ土もＣａｌｉｆｏｒｎｉａ Ｂｅａｒｉｎｇ Ｒａｔｉｏ（ＣＢＲ）（ＡＳＴＭ Ｄ１８８３）に関して試験する。ＣＢＲ試験値をプロクター締固め試験結果に重ねて、材料の強度挙動と含水比の変化との関係を求める。結果は図３に提示する。乾燥密度の最大値の約９５％に対応する最適非水浸ＣＢＲ値での含水比（ＭＣ）は、サブカ土の乾燥重量に対して約１１．５％である。

［泥灰土］
図４は、採取した泥灰土の粒度分布曲線を示す。土の粒度は１．０インチ未満である。そのサイズの半量の土がＮｏ．２００ふるいを通る。図５は、最適な含水比が泥灰土の乾燥重量に対して約１１．８％であることを示す、修正プロクターの締固め曲線を示す。この土は、７８の非水浸ＣＢＲおよび８の水浸ＣＢＲを有する。表２に与えられた結果は、砂の量が少ないことを示す。

表２：泥灰土の標準骨材および土質試験結果。

［土の含水比］
各土を実施例または比較例の発泡アスファルトと混合する前に、湿潤水を風乾土試料に導入して、土試料の含水比を、締固めに最適な含水比（ＯＭＣ）に、そうでなければその近くにする。風乾土試料に導入される湿潤水の量は、その種類および骨材中の含水比の程度に依存する。この実験に関して、導入するべき湿潤水の量は式１を使用して求められる：
Ｗ_添加＝１＋（０．５Ｗ_ＯＭＣ−Ｗ_風乾）（式１）
式中、Ｗ_添加は、湿潤水の導入により風乾した骨材試料に加えられる含水比（風乾土の重量パーセント）であり、Ｗ_ＯＭＣは、土試料に決められた最適な含水比（重量パーセントで）であり、Ｗ_風乾は、水添加前の風乾土試料に決められた含水比（重量パーセントで）である。例えば、前述のとおり砂丘砂のＷ_ＯＭＣは約０％であり、風乾した砂丘砂は約０％の含水比を有する。そのため、発泡アスファルトを受け、次いで圧縮されるために砂丘砂に導入される湿潤水の量は、砂丘砂が風乾土重量で約１重量％の含水比を有するようにする。水の添加は、湿らせてすぐの骨材を実施例および比較例の発泡アスファルト組成物と組み合わせる直前に行う。

［ポルトランドセメント］
土試料への湿潤水の導入に加えて、約２％の風乾土重量相当のポルトランドセメントを導入し土試料とブレンドする。ポルトランドセメントは硬化および強度増進を高めるために加える。ポルトランドセメントの導入は、実施例または比較例の発泡アスファルトを土試料に導入する前に行う。

［通常のアスファルト結合剤］
比較例の発泡アスファルトを形成するために使用するプレーン、ニートまたは無添加アスファルトをＷＬＢ１０の断熱釜に導入し、起泡に使用するまで約１８０℃の温度で加熱し撹拌する。この実験については、通常のアスファルトは、パフォーマンスグレード６４−１０（ＰＧ６４−１０）アスファルト結合剤である。

無添加アスファルトに関しては、温度は１８０℃未満に維持されないが、それは、発泡プレーンアスファルトが不安定であり、少なくとも約８の膨張比係数、または少なくとも約６秒の最小発泡半減期のいずれか、またはその両方の最小限の特性を満たすことができないからである。

［硫黄アスファルト結合剤］
硫黄アスファルト結合剤は、アスファルト硫黄結合剤の合計重量で約３０重量％の遊離硫黄および約７０重量％のプレーンアスファルト（ＰＧ６４−１０）を均質になるまで混合することにより製造する。前もってブレンドした３０／７０重量％の硫黄アスファルト（他の改質添加剤を含まない）を硫黄アスファルト結合剤として実験に使用する。

前もってブレンドした３０／７０重量％の硫黄アスファルト結合剤を１４５℃でオーブン中で形成し、溶融状態の間に一緒にブレンドする。溶融硫黄アスファルト結合剤はＷＬＢ１０の断熱釜に導入し、約１５０℃の温度に加熱し、起泡に使用するまで撹拌する。

［起泡水］
発泡硫黄アスファルトが硫黄アスファルト結合剤の約３．４５重量％の含水比を有するように、起泡水を硫黄アスファルト結合剤に導入する。

［安定化土の実施例および比較例の形成］
常温ミックス用のマーシャル配合設計法を、実施例または比較例の発泡アスファルト安定化土混合物を設計するために用いる。合計６種の安定化土ミックス試料−それぞれ、異なる量の実施例または比較例の発泡アスファルトを含む−を各土試料の種類について作り、これらは表３に報告する。

硫黄アスファルト結合剤、起泡水および起泡空気を、混合機内部で互いに導入し、混合機を、発泡硫黄アスファルトの実施例が混合機中で形成されるように運転する。硫黄アスファルト結合剤の３．４５重量％の含水比では、発泡硫黄アスファルトの発泡膨張比は、排出される硫黄アスファルト容量の約８．８倍であり、発泡半減期は約９．１秒である。通常のアスファルト、起泡水および起泡空気を混合機内で互いに導入し、混合機を、発泡アスファルトの比較例が混合機中で形成されるように運転する。混合機の内部温度は約１５０℃に維持される。

実施例および比較例の発泡アスファルトは、発泡アスファルトノズルを介して混合機から生成される。実施例および比較例の発泡アスファルトは約１３０℃未満の温度を有し、それによって潜在的に有毒または危険な硫黄化合物の発生を防止する。

無添加および硫黄の発泡アスファルト安定化土の土試料を作るために、式１を使用して作る決まりを満たすように、湿潤水を風乾土試料に導入する。さらに、風乾した骨材の重量で約２％のポルトランドセメントもまた導入し、約３０秒間ブレンドする。

混合装置は、各土試料を調製する前に、単位時間当たりの、実施例または比較例の発泡アスファルトの一定量の排出を較正する。土試料をＨｏｂａｒｔ実験室混合機で攪拌しながら、発泡アスファルトの規定容量を土試料に直接排出する。土試料に導入される実施例または比較例の発泡アスファルトの量は、発泡アスファルト添加前後に混合ボウルの中味の差異を秤量することにより検証する。実施例または比較例の発泡アスファルトと土試料の組み合わせの混合は、約３０秒〜約１分の範囲の間に行う。

［安定化土の実施例および比較例の物理的試験］
安定化土の実施例（発泡硫黄アスファルトを含む）および比較例（発泡プレーンアスファルトを含む）を、各安定化土試料に標準マーシャルのハンマーを１面当たり７５打施すことにより作る。各安定化土試料を硬化し、試験を行うのに必要な場合、試験前に水に漬ける。各安定化土試料で行う試験は、マーシャル安定度およびマーシャル安定度損失（または耐久性）（ＡＳＴＭ Ｄ１５５９）、間接引張強度および最適発泡瀝青質含有率（ＡＳＴＭ Ｄ４８６７およびＡＡＳＨＴＯ Ｔ−２４５）、レジリエントモジュラス（ＡＳＴＭ Ｄ４１２３）、およびわだち掘れ（永久変形）が含まれる。最適な結合剤含有率は、水浸強度が最も高い結合剤含有率である。耐久性は、類似のマーシャル安定度試料および同じ試験手順を使用して、ただし試料を室温で２４時間水に水浸した後、求める。結果は、安定化土の実施例および比較例の両方について表３に提示する。

［間接引張強度］
間接引張強度（ＩＴＳ）試験は、亀裂進展に対するミックスの耐性を求めるのを助ける。ＩＴＳ試験は、高さ２・１／２インチ直径４インチ（高さ６３．５ｍｍ直径１０１．６ｍｍ）の円柱形試供体で行う。試供体はマーシャル締固め法に従って調製する。破損する前の試供体が担持する最大荷重が、その結果である。試験は２５℃で実行した。

ＩＴＳ試験（室温で２４時間水に水浸した試料）の水浸試料バージョンは、各安定化土の実施例の最適結合剤含有率の決定に対する主要な指標である。

［レジリエントモジュラス］
レジリエントモジュラス試験は、舗装構造の機構的設計手法に重要な可変要素である。これは、動的応力およびそれに応じて生じた変形に対する舗装反応の測定である。ＨＭＡのレジリエントモジュラスは、直径方向のパルス荷重を加えることにより遂行する。荷重は、高さ２・１／２インチ直径４インチ（高さ６３．５ｍｍ直径１０１．６ｍｍ）の円柱形試供体の垂直直径面に加える。試供体はマーシャル締固め方法に従って調製する。結果として得られた試供体の水平変形を測定し、レジリエントモジュラスを計算する。試験は２５℃で行った。

［わだち掘れ試験（永久変形）］
安定化土の実施例および比較例は、円盤状の安定化土試料の平面に加重した車輪を繰り返し前後に跡つける多重車輪付き装備であるアスファルト舗装アナライザを３０℃で使用して、わだち掘れ耐性を評価する。車輪荷重は１００ｌｂ_ｆに設定し、車輪圧は１００ｐｓｉに設定する。旋回式締固め機は、マーシャル締固め試料と同じ密度に円盤の平面に沿って６インチの丸い安定化土試料を締固める。車輪付き装備は、各安定化土の輪の直径で横断する。試験の前に、実施例および比較例の安定化土は、試験温度で４時間調整する。

表３：安定化した砂丘砂、泥灰およびサブカ土の試験結果。

発泡硫黄アスファルトの使用は、発泡ニートアスファルトの使用と比較して泥灰およびサブカ土試料のわだち掘れを５０％低下させた。理論によって束縛されたくないが、砂丘砂のわだち掘れ耐性は砂を他の種類の骨材と混合することにより向上し得ると考えられる。

泥灰発泡硫黄アスファルト安定化土は、示した６種のうち、最も好ましい安定化土組成物であるように見える。この組成物に関しては、マーシャル安定度は６．６７２ｋＮを超え（３０）、間接引張強度は２００ｋＰａを超え（６４０）、７０％を超える（７２）耐久性を有する。これは、アスファルトコンクリートに求められる最小限の日常使用要件を満たす。

Claims (22)

1. 発泡硫黄アスファルト安定化土を製造する方法であって、
   アスファルト結合剤、元素硫黄、空気導入圧を有する起泡空気、および前記空気導入圧より大きい水導入圧を有する起泡水を発泡ミキサーに導入するステップと、
   前記発泡ミキサーを１５０℃以下の温度で運転して、発泡硫黄アスファルトが６秒またはそれを超える発泡半減期を有し、８またはそれを超える発泡膨張比を有するように前記発泡硫黄アスファルトを形成するステップと、
   前記発泡硫黄アスファルト、含水比を有する骨材およびポルトランドセメントを骨材混合機へ導入するステップと、
   前記発泡硫黄アスファルト安定化土が形成するように前記骨材混合機を運転するステップと、を含む方法。
2. 前記骨材混合機に導入されるポルトランドセメントの量が、風乾基準で前記骨材の重量の０．１重量％〜２重量％の範囲にある、請求項１に記載の方法。
3. 前記導入される骨材の含水比が前記骨材の締固めに最適な含水比である、請求項１または請求項２に記載の方法。
4. 湿潤水および前記導入される骨材の組み合わせが、前記骨材の締固めに最適な含水比の含水比を有する前記骨材を形成するように、前記導入される骨材に前記湿潤水を導入するステップをさらに含み、ここで風乾した骨材としての前記骨材の重量パーセントで前記導入された骨材の含水比が、風乾した骨材の含水比から前記骨材の締固めに前記最適な含水比未満までの範囲である、請求項１に記載の方法。
5. 湿潤水と前記導入される骨材の組み合わせが０．５（Ｗ_ＯＭＣ）＋１の含水比を有する骨材を形成するように、前記導入される骨材に前記湿潤水を導入するステップをさらに含み、Ｗ_ＯＭＣは、重量パーセントでの導入される骨材に決定される最適な含水比であり、ここで風乾骨材として前記骨材の重量パーセントで前記導入される骨材の含水比が、風乾した骨材の含水比から前記骨材の締固めに前記最適な含水比未満までの範囲にある、請求項１に記載の方法。
6. 前記骨材混合機に導入される発泡硫黄アスファルトの量が、前記発泡硫黄アスファルト安定化土の５重量％〜１０重量％の範囲にある、請求項１〜５のいずれか一項に記載の方法。
7. 発泡硫黄アスファルト安定化土であって、発泡硫黄アスファルト、含水比を有する骨材およびポルトランドセメントを含み、ここで、前記発泡硫黄アスファルトは、６秒またはそれを超える発泡半減期を有し、８またはそれを超える発泡膨張比を有する発泡硫黄アスファルト安定化土。
8. ６．６７２ｋＮを超えるマーシャル安定度を有する、請求項７に記載の発泡硫黄アスファルト安定化土。
9. ２００ｋＰａを超える間接引張強度を有する、請求項７または請求項８に記載の発泡硫黄アスファルト安定化土。
10. ７０％を超える耐久性を有する、請求項７〜９のいずれか一項に記載の発泡硫黄アスファルト安定化土。
11. 前記骨材が、砂丘砂、泥灰土、サブカ土、道路骨材ベース、道路骨材サブベース、再生したアスファルト舗装ミックスおよびその組み合わせからなる群から選択される、請求項７〜１０のいずれか一項に記載の発泡硫黄アスファルト安定化土。
12. 発泡硫黄アスファルトを製造する方法であって、
    アスファルト結合剤、元素硫黄、空気導入圧を有する起泡空気、および前記空気導入圧より大きい水導入圧を有する起泡水を発泡ミキサーに導入するステップと、
    前記発泡ミキサーを１５０℃以下の温度で運転して、発泡硫黄アスファルトが６秒またはそれを超える発泡半減期を有し、８またはそれを超える発泡膨張比を有するように前記発泡硫黄アスファルトを形成するステップと、を含む方法。
13. 前記導入されるアスファルト結合剤がパフォーマンスグレードアスファルト結合剤である、請求項１２に記載の方法。
14. 前記アスファルト結合剤および前記元素硫黄が硫黄アスファルト結合剤として導入される、請求項１２または請求項１３に記載の方法。
15. 前記硫黄アスファルト結合剤が、前記硫黄アスファルト結合剤の１０重量％〜５０重量％の範囲の元素硫黄含有率を有する、請求項１２〜１４のいずれか一項に記載の方法。
16. 前記硫黄アスファルト結合剤が形成するように、前記アスファルト結合剤および元素硫黄をプレミキサーに導入するステップと、次いで、前記アスファルト結合剤および元素硫黄の両方の代わりに前記硫黄アスファルト結合剤を前記発泡ミキサーに導入するステップとをさらに含む、請求項１２〜１５のいずれか一項に記載の方法。
17. 前記元素硫黄が溶融液体として前記発泡ミキサーに導入される、請求項１２〜１６のいずれか一項に記載の方法。
18. 導入される前記起泡水の量が、２．３重量％〜４．７重量％の範囲の含水比を有する前記発泡硫黄アスファルトを製造するのに実施可能である、請求項１２〜１７のいずれか一項に記載の方法。
19. アスファルト結合剤、元素硫黄、起泡空気および起泡水を含む発泡硫黄アスファルトであって、前記発泡硫黄アスファルトが６秒またはそれを超える発泡半減期を有し、８またはそれを超える発泡膨張比を有し、前記発泡硫黄アスファルト中に、元素硫黄と前記アスファルト結合剤の合計量の１０％〜５０重量％の範囲の量の元素硫黄を有する発泡硫黄アスファルト。
20. 前記発泡硫黄アスファルトが２．３重量％〜４．７重量％の範囲の含水比を有する、請求項１９に記載の発泡硫黄アスファルト。
21. 前記アスファルト結合剤がＰＧ６４−１０アスファルト結合剤である、請求項１９または請求項２０に記載の発泡硫黄アスファルト。
22. 前記発泡硫黄アスファルトが９．１秒の発泡半減期を有し、８．８の発泡膨張比を有する、請求項１９〜２１のいずれか一項に記載の発泡硫黄アスファルト。

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