JP2023530741A - 歪み耐性再生瀝青舗装組成物 - Google Patents

Abstract

骨材、再生瀝青、及び特殊化ポリマー改質瀝青を含む、歪み耐性再生瀝青舗装組成物。特殊化ポリマー改質瀝青は瀝青及びポリマーを含んでもよく、ここでポリマーはブタジエンを優勢に含む。組成物中の再生瀝青の量は、組成物の５％を超えてもよい。舗装組成物中のこのような高レベルの再生瀝青は、経済的にも環境的にも望ましいが、典型的には歪み耐性の低い層を生成する。しかしながら、本発明の組成物を用いて生成された層の歪み耐性は、特殊化ポリマー改質瀝青を含むことにより、著しく高くなり得る。

Description

関連出願の相互参照
本出願は、2020年6月17日に出願された米国仮出願第63/040,306号に基づき、その優先権を主張するものである。

本発明は、一般に舗装組成物に関し、より具体的には、限定するものではないが、歪み耐性再生瀝青（ビチューメン）舗装組成物に関する。

道路、駐車場、空港滑走路、空港誘導路などを建設するために使用される舗装の上に新しい表面又は新しい舗装を配置し、新しい舗装に亀裂が長期間現れることがないことが望ましい。既存の舗装の亀裂は、新しい表面を通って伝播又は反射することが多い。舗装の亀裂は、損傷の一形態であり、新しい舗装の早期破損につながる可能性がある。亀裂によって、水分（すなわち水）が既存の（すなわち、下にある）舗装に入り込み、構造的支持の問題が引き起こされる。亀裂はまた、舗装層の寿命を維持し、亀裂の複雑化を抑えるために、クラックシールのような追加の集中的なメンテナンスを必要とする。更に、亀裂はまた、乗り心地の問題を引き起こす可能性があり、これは、平滑化するための研削、又は問題に対処するための１つ又は複数の追加の舗装層を適用するための多大な費用を必要とする可能性がある。

瀝青道路は、一般に、アスファルト又は瀝青材料を用いて、多数のサイズの骨材を優勢に用いて生成される。加工プラント又はホットミックスプラントでは、骨材を加熱し、瀝青を添加して混合する。得られた混合物は、舗装される道路に運ばれ、舗装面として適用される。

舗装面がその耐用年数を満たすか又は超える場合、それは再生され得る。この層は、粉砕機で粉砕され、再生アスファルト舗装（ＲＡＰ）を作製し得る。

ＲＡＰは、典型的には、高品質の骨材及び酸化又は老朽化した瀝青を含有する。それは、将来の舗装のために定期的に保存されている。

経済的には、ＲＡＰを舗装面に再利用することが有利である。所有者にとってのＲＡＰの費用は非常に低い。新しい骨材の費用は比較的高い。更に、酸化又は老朽化した瀝青もかなりの価値があり、これは再生瀝青の供給源となる。

環境的には、新しい舗装構造にＲＡＰを利用することが有利である。鉱物堆積物が枯渇するため、骨材を再利用又は再生することが非常に好ましい。また、酸化又は老朽化した瀝青の再利用は、再生不可能な資源への依存を最小限に抑える。温室効果ガスなどへの影響は大きく、環境に好ましい結果をもたらす。ＲＡＰは、世界で最も再生されている製品である。

再生瀝青の別の供給源は、再生アスファルトシングル（ＲＡＳ）である。屋根ふき用シングルは、初期のシングル生成廃棄物又は屋根の設置からの古い及び老朽化したシングルに由来する貴重な瀝青を含有する。

ＲＡＰ及びＲＡＳの両方が、再生瀝青の供給源と考えられ得る。

再生瀝青を有する舗装層のための混合物の設計及び開発において、総瀝青含有量は、工学的検討のための重要な構成要素である。総瀝青含有量は、バージン瀝青、ＲＡＰの瀝青構成要素、ＲＡＳの瀝青構成要素などの全ての瀝青供給源を指す。

例えば、骨材、４．２％の老朽化した瀝青を含有する３０％のＲＡＰ、及び３．４０％のバージン瀝青の混合物の場合、総瀝青含有量は、２つの瀝青供給源の合計である。したがって、４．２％の老朽化した瀝青の３０％のＲＡＰは、１．２６％の再生瀝青を生じ、更に３．４０％のバージン瀝青により、４．６６％の瀝青の総瀝青含有量を生じる。

同様に、再生瀝青の割合は、ＲＡＰからの１．２６％の再生瀝青を４．６６％の総瀝青含有量で割った計算となり、２７．０％の再生瀝青が得られる。

残念ながら、再生瀝青は、バージン瀝青ほどの性能を発揮しない可能性がある。酸化又は老朽化の過程で、瀝青は硬く脆くなる。これは、舗装層が時間の経過とともに亀裂を生じる主な理由である。適切な舗装層は、亀裂をほとんど又は全く伴わずに交通及び環境からの歪みに耐えられる。瀝青が酸化するにつれて、交通及び環境からの歪みに対する耐性が低下する。このために、時間の経過とともに、舗装層が、交通又は環境条件及び亀裂に起因する歪みに耐えることができない時点が訪れる。

新しい舗装混合物に少量の再生瀝青を使用することは、一般的な手法である。バージン瀝青及び追加の骨材を再生瀝青と組み合わせて、新しい舗装混合物を生成する。

再生瀝青が新しい舗装に採用される場合、より硬い、酸化された、又は老朽化した瀝青を考慮し、一部の実務者は、通常のバージン瀝青よりも柔らかい瀝青を利用して、再生瀝青中のより硬い酸化又は老朽化瀝青に対抗している。

環境及び経済を考慮すると、新しい舗装に再生瀝青を無制限に使用することは大いに有利であるが、舗装層の性能は急速に低下する。歪み耐性が失われ、新しい舗装層が早期に亀裂を生じる可能性がある。

したがって、亀裂の発生を遅らせるための歪み耐性を維持しながら、環境的及び経済的な量の再生瀝青を利用して新しい舗装層を効率的に作製するための組成物及び方法が依然として必要とされている。

一般に、第１の態様では、本発明は、骨材、再生瀝青、及び特殊化ポリマー改質瀝青を含む組成物に関する。特殊化ポリマー改質瀝青は瀝青及びポリマーを含んでもよく、ここでポリマーはブタジエンを優勢に（量的に勝っている）含む。

再生瀝青舗装は、総瀝青含有量の５％超、好ましくは総瀝青含有量の２５％超、より好ましくは総瀝青含有量の３０％超、更により好ましくは総瀝青含有量の３５％超、又は最も好ましくは総瀝青含有量の４０％超であってもよい。

ポリマーは、特殊化ポリマー改質瀝青の３％超、好ましくは特殊化ポリマー改質瀝青の４％超、より好ましくは特殊化ポリマー改質瀝青の５％超であってもよい。ポリマーは、スチレン－ブタジエンポリマーであってもよい。ブタジエン含有量は、特殊化ポリマー改質瀝青の１．５％超、好ましくは特殊化ポリマー改質瀝青の２．０％超、より好ましくは特殊化ポリマー改質瀝青の２．５％超であってもよい。

特殊化ポリマー改質瀝青は、架橋剤、加硫剤、促進剤、増量剤、フラックス剤、再生剤（若返り剤）、ポリリン酸、又はそれらの組合せを更に含んでもよい。

第２の態様では、本発明は、歪み耐性層を作製する方法であって、当該方法が、骨材と、再生瀝青と、特殊化ポリマー改質瀝青とを混合して瀝青舗装組成物を生成することであって、特殊化ポリマー改質瀝青が、瀝青と、特殊化ポリマーとを含み、ポリマーがブタジエンを優勢に含むことと、瀝青舗装組成物を使用して歪み耐性層を生成することであって、歪み耐性層が、１０００微小歪み、１５Ｃ、及び１０Ｈｚで、破損まで１０，０００サイクル超の歪み耐性を有することと、を含む方法に関する。あるいは、歪み耐性は、破損まで２０，０００サイクル超、又は破損まで３０，０００サイクル超であり得る。

再生瀝青舗装は、総瀝青含有量の５％超、好ましくは総瀝青含有量の２５％超、より好ましくは総瀝青含有量の３０％超、更により好ましくは総瀝青含有量の３５％超、又は最も好ましくは総瀝青含有量の４０％超であってもよい。

ポリマーは、特殊化ポリマー改質瀝青の３％超、好ましくは特殊化ポリマー改質瀝青の４％超、より好ましくは特殊化ポリマー改質瀝青の５％超であってもよい。ポリマーは、スチレン－ブタジエンポリマーであってもよい。ブタジエン含有量は、特殊化ポリマー改質瀝青の１．５％超、好ましくは特殊化ポリマー改質瀝青の２．０％超、より好ましくは特殊化ポリマー改質瀝青の２．５％超であってもよい。

特殊化ポリマー改質瀝青は、架橋剤、加硫剤、促進剤、増量剤、フラックス剤、再生剤、ポリリン酸、又はそれらの組合せを更に含んでもよい。

本明細書で説明される装置及び方法は、本発明を作成及び使用する特定の方法の単なる例示であり、範囲を限定するものとして解釈されるべきではない。

装置及び方法をある程度詳細に説明してきたが、本開示の趣旨及び範囲から逸脱することなく、装置及び構成要素の構造及び配置の詳細において多くの修正を行うことができることに留意されたい。装置及び方法は、例示の目的で本明細書に記載の実施形態に限定されないことが理解される。

一般に、第１の態様では、本発明は、骨材、再生瀝青、及び特殊化ポリマー改質瀝青を含む歪み耐性再生瀝青舗装組成物に関する。組成物は、任意の舗装に適した舗装層を生成するために使用され得る。得られた舗装層は、AASHTO T321 Standard Method of Test for Determining the Fatigue Life of Compacted Asphalt Mixtures Subjected to Repeated Flexural Bendingによって試験され、高い歪み耐性を有し得、ここで、破損は、１０Ｈｚでのサイクルで記録された、サンプルへの荷重が初期荷重の約５０％になる点で定義され得る。例えば、組成物から生成された舗装層は、１０００微小歪みで試験した場合、破損まで１０，０００サイクル超、好ましくは破損まで２０，０００サイクル超、又はより好ましくは破損まで３０，０００サイクル超の歪み耐性を有し得る。

組成物中の再生瀝青の量は、総瀝青含有量の５％超、好ましくは総瀝青含有量の２５％超、より好ましくは総瀝青含有量の３０％超、更により好ましくは総瀝青含有量の３５％超、又は最も好ましくは総瀝青含有量の４０％超であってもよい。標準的な実施におけるそのような高レベルのＲＡＰは、経済的にも環境的にも望ましい一方、典型的には、上述の不十分な歪み耐性をもたらすが、本発明の組成物で生成された層の歪み耐性は、特殊化ポリマー改質瀝青を含むために著しく高くなり得る。

特殊化ポリマー改質瀝青は、破損までの適切な疲労サイクルを確立するのに十分な量のポリマーから構成され得る。適切なポリマーとしては、1979年5月15日にMaldonadoらに発行された米国特許第4,154,710号、1979年5月20日にMaldonadoらに発行された米国特許第4,145,322号、及び／又は1982年5月19日にMaldonadoらに発行された米国特許第4,330,449号に記載されているものを挙げることができ、これらの３つすべてが参照により本明細書に組み込まれる。例えば、ポリマーは、スチレン－ブタジエンポリマーであってもよい。特殊化ポリマー改質瀝青中のポリマーの量は、特殊化ポリマー改質瀝青の３．５％超、好ましくは特殊化ポリマー改質瀝青の４％超、より好ましくは特殊化ポリマー改質瀝青の５％超であってもよい。

ポリマーの構造は、ブタジエンを優勢に含有してもよく、それにより、特殊化ポリマー改質瀝青中の総ブタジエン含有量は、１．５％超、好ましくは２．０％超、より好ましくは２．５％超であってもよい。

例えば、７０％のブタジエン含有量を含有するＳＢＳブロックコポリマーは、３．０％でポリマー改質結合剤に配合される場合、２．１％の総ブタジエン量を含有する。

驚くべきことに、参照により本明細書に組み込まれる米国特許第7,728,074号明細書のKlutzz及び同じく参照により本明細書に組み込まれる米国特許第7,622,519号明細書のStephensに記載されているようなモノビニル芳香族の少なくとも１つのブロックを有するブロックコポリマーは、高ＲＡＰ混合物における歪み耐性の増加に効果がない可能性がある。したがって、特殊化ポリマー改質瀝青は、モノビニル芳香族構造を含有するブロックコポリマーからのポリマーを３．０％を超えて含有してはならず、好ましくはモノビニル芳香族構造を含有するブロックコポリマーからのポリマーの含有量が２．０％未満、より好ましくは１％未満である。

特殊化ポリマー改質瀝青は、アスファルト又は瀝青、および架橋剤、加硫剤、促進剤、増量剤、フラックス剤、ポリリン酸など使用に適した他の添加剤を含有してもよい。

特殊化ポリマー改質瀝青は、一般的な等級の瀝青に対する通常の試験温度で、参照により本明細書に組み込まれた、AASHTO T 313:Determining the Flexural Creep Stiffness of Asphalt Binder Using the Bending Beam Rheometer(BBR)によって定義された、約２５０ＭＰａ未満、好ましくは２００ＭＰａ未満、より好ましくは１５０ＭＰａ未満の領域のクリープ剛性を有することができる。
実施例
LTPP InfoTool（商標）としてhttps://infopave.fhwa.dot.gov/Tools/LTPPBindOnlineのFHWAウェブサイトで見ることができるLTPPBindソフトウェアによって、ＰＧ６４－２２のＰＧ結合剤等級によって定義される領域について試験を行った。低い試験基準は－２２Ｃであり、本発明の目的である曲げビーム試験温度は－１２Ｃである。したがって、－１２Ｃで試験したときのクリープ剛性は、約２５０ＭＰａ未満、好ましくは２００ＭＰａ未満、より好ましくは１５０ＭＰａ未満である。

米国における瀝青結合剤は、一般にAASHTO M320によって指定されており、これは参照により本明細書に組み込まれる。本明細書は、気候に基づく様々な結合剤の等級を定義する。

AASHTO T321によって１０００微小歪みで試験されたように、粉砕石灰石骨材を使用し、ＲＡＰを使用しない、ＰＧ６４－２２瀝青と同様の６０／７０ＰＥＮの瀝青は、３９，６００サイクルで破損するという結果をもたらした。これは、再生瀝青を含まない通常の舗装層に対して非常に良好な結果であると考えられる。

骨材、４０％ＲＡＰ、２．０％バージン瀝青を含有する混合物は、３７．０％の再生瀝青をもたらし、気候領域の正常なＰＧ等級をＰＧ６４－２２からより柔らかいＰＧ５８－２８に低下させ、破損までのサイクルが６，８９５と劣った。このデータは、歪み耐性、つまり交通からの変形に抵抗する能力が著しく低下したことを示唆している。

本発明の特殊化ポリマー改質瀝青と同じ混合物を、ＰＧ５８－２８から生成し、これは５％を超えるポリマーで改質された。ポリマーはブタジエンを優勢に含有しており、これにより全ブタジエン含有量は２．５％を超え、－１２Ｃで試験した場合のクリープ剛性は１５０ＭＰａ未満であった。この組成物は、３５．１％の再生瀝青を含有し、破損までのサイクルは６７，１３０回であった。

上記の説明から、本発明は、目的を実行し、本明細書で述べた利点及び本発明に固有の利点を達成するのによく適合されていることは明らかである。本開示の目的のために本発明の現在好ましい実施形態を説明したが、当業者に容易に示唆され、開示及び特許請求される本発明の精神の範囲内で達成される多くの変更を行うことができることが理解されよう。

Claims (36)

1. 骨材と、
   再生瀝青と、
   特殊化ポリマー改質瀝青であって、前記特殊化ポリマー改質瀝青が、
   瀝青と、
   特殊化ポリマーであって、前記ポリマーがブタジエンを優勢に含む、特殊化ポリマーと、
   を含む、特殊化ポリマー改質瀝青と、
   を含む組成物。
2. 前記再生瀝青が総瀝青含有量の３５％を超える、請求項１に記載の組成物。
3. 前記再生瀝青が総瀝青含有量の３０％を超える、請求項１に記載の組成物。
4. 前記再生瀝青が総瀝青含有量の２５％を超える、請求項１に記載の組成物。
5. 前記再生瀝青が総瀝青含有量の５％を超える、請求項１に記載の組成物。
6. 前記特殊化ポリマーが、前記特殊化ポリマー改質瀝青の３％を超える、請求項１に記載の組成物。
7. 前記特殊化ポリマーが、前記特殊化ポリマー改質瀝青の４％を超える、請求項１に記載の組成物。
8. 前記特殊化ポリマーが、前記特殊化ポリマー改質瀝青の５％を超える、請求項１に記載の組成物。
9. 前記ポリマーがスチレン－ブタジエンポリマーである、請求項１に記載の組成物。
10. 前記ブタジエンが、前記ポリマー改質瀝青の１．５％を超える、請求項１に記載の組成物。
11. 前記ブタジエンが、前記ポリマー改質瀝青の２．０％を超える、請求項１に記載の組成物。
12. 前記ブタジエンが、前記ポリマー改質瀝青の２．５％を超える、請求項１に記載の組成物。
13. 前記ポリマーが、ビニル結合を有する３％以下のブタジエンを含有する、請求項１に記載の組成物。
14. 前記ポリマーが、ビニル結合を有する１％以下のブタジエンを含有する、請求項１に記載の組成物。
15. 前記ポリマーが、ビニル結合を有する２％以下のブタジエンを含有する、請求項１に記載の組成物。
16. 前記ポリマーが、ビニル結合を有する３％以下のブタジエンを含有する、請求項１に記載の組成物。
17. 前記特殊化ポリマー改質瀝青が、架橋剤、加硫剤、促進剤、増量剤、フラックス剤、ポリリン酸、又はそれらの組合せを更に含む、請求項１に記載の組成物。
18. 歪み耐性層を作製する方法であって、前記方法が、
    骨材と、再生瀝青と、特殊化ポリマー改質瀝青と、を混合して瀝青舗装組成物を生成することであって、前記特殊化ポリマー改質瀝青が、
    瀝青と、
    特殊化ポリマーであって、前記ポリマーがブタジエンを優勢に含む、特殊化ポリマーと、
    を含むことと、
    前記瀝青舗装組成物を使用して前記歪み耐性層を生成することであって、前記歪み耐性層が、１０００微小歪み、１５Ｃ、及び１０Ｈｚで破損まで１０，０００サイクル超の歪み耐性を有することと、
    を含む方法。
19. 前記歪み耐性が、１０００微小歪み、１５Ｃ、及び１０Ｈｚにおいて破損まで２０，０００サイクルを超える、請求項１８に記載の方法。
20. 前記歪み耐性が、１０００微小歪み、１５Ｃ、及び１０Ｈｚにおいて破損まで３０，０００サイクルを超える、請求項１８に記載の方法。
21. 前記再生瀝青が総瀝青含有量の３５％を超える、請求項１８に記載の方法。
22. 前記再生瀝青が総瀝青含有量の３０％を超える、請求項１８に記載の方法。
23. 前記再生瀝青が総瀝青含有量の２５％を超える、請求項１８に記載の方法。
24. 前記再生瀝青が総瀝青含有量の５％を超える、請求項１８に記載の方法。
25. 前記特殊化ポリマーが、前記特殊化ポリマー改質瀝青の３％を超える、請求項１８に記載の方法。
26. 前記特殊化ポリマーが、前記特殊化ポリマー改質瀝青の４％を超える、請求項１８に記載の方法。
27. 前記特殊化ポリマーが、前記特殊化ポリマー改質瀝青の５％を超える、請求項１８に記載の方法。
28. 前記ポリマーがスチレン－ブタジエンポリマーである、請求項１８に記載の方法。
29. 前記ブタジエンが、前記ポリマー改質瀝青の１．５％を超える、請求項１８に記載の方法。
30. 前記ブタジエンが、前記ポリマー改質瀝青の２．０％を超える、請求項１８に記載の方法。
31. 前記ブタジエンが、前記ポリマー改質瀝青の２．５％を超える、請求項１８に記載の方法。
32. 前記ポリマーが、ビニル結合を有する３％以下のブタジエンを含有する、請求項１８に記載の方法。
33. 前記ポリマーが、ビニル結合を有する１％以下のブタジエンを含有する、請求項１８に記載の方法。
34. 前記ポリマーが、ビニル結合を有する２％以下のブタジエンを含有する、請求項１８に記載の方法。
35. 前記ポリマーが、ビニル結合を有する３％以下のブタジエンを含有する、請求項１８に記載の方法。
36. 前記特殊化ポリマー改質瀝青が、架橋剤、加硫剤、促進剤、増量剤、フラックス剤、ポリリン酸、又はそれらの組合せを更に含む、請求項１８に記載の方法。