JP4279005B2 - アスファルトバインダー並びに舗装用アスファルト混合物 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はアスファルトバインダー並びに該アスファルトバインダーを用いた道路舗装用のアスファルト混合物に関する。
【０００２】
【従来の技術】
アスファルトは道路舗装材として広く使用されており、また、その性能改善の試みも古くから行われている。例えば、特許文献１には特定のＮ₂ ＳＡおよびＤＢＰ吸収量のカーボンブラックとオイルとからなる強化用充填材を、アスファルトセメントに分散させたアスファルトセメント組成物が開示されている。
【０００３】
しかしながら、アスファルトは温度による粘度変化が大きいため、夏期の高温時には軟化して轍掘れが発生し、一方冬期には硬化してひび割れが起こり、特に寒冷地では収縮に伴うひび割れが生じ易く、更に径年劣化による硬脆化ひび割れや道路表面の摩耗等の発生が問題となっている。
【０００４】
これらの問題を解決する方策として、アスファルト中にスチレンブタジエンスチレンブロック共重合体（ＳＢＳ）等の熱可塑性エラストマーやスチレンブタジエン共重合体ゴム（ＳＢＲ）等のゴム、更に、カーボンブラックを分散させて強度や粘度を改善した、一般に改質Ｉ型、改質II型等と称される各種の改質アスファルトが開発されている。
【０００５】
例えば、アスファルトと熱可塑性エラストマーとを配合してなる排水性舗装用バインダーであって、両者の配合前に、熱可塑性エラストマー中にカーボンブラックを均一に配合して複合材としておくことを特徴とする排水性舗装用バインダー（特許文献２）、アスファルト９２〜７０重量部、熱可塑性エラストマー３〜１５重量部、カーボンブラック４〜１５重量部にて構成される排水性舗装用アスファルトバインダー（特許文献３）、更に、熱可塑性エラストマー１００重量部に対し、粒子径７５μｍ以下のカーボンブラック３〜８０重量部と、オイル１０〜１００重量部とが配合されていることを特徴とするアスファルト改質剤（特許文献４）等が提案されている。
【０００６】
また、アスファルト改質剤の製造方法として、特許文献５には熱可塑性エラストマーに対し、カーボンブラックとオイルとを混練してアスファルト改質剤を製造する方法であって、混練温度を８０〜２００℃、混練時間を１〜３０分、混練時の剪断強度を５０〜８０（ｓｅｃ^-1）、混練時にカーボンブラック１ｃｍ³ 当たりに作用する剪断エネルギーを２００〜３０００（Ｊ／ｃｍ³ ）とすることを特徴とするアスファルト改質剤の製造方法が、特許文献６には重合反応により生成した熱可塑性エラストマーと該重合反応に用いた重合触媒との存在下に、オイルおよびカーボンブラックを添加、混合した後、脱重合媒体することを特徴とするアスファルト改質剤の製造方法が開示されている。
【０００７】
【特許文献１】
特開昭５０−１１１１１７号公報
【特許文献２】
特開平１０−１９５３０１号公報
【特許文献３】
特開平１０−２３７３０９号公報
【特許文献４】
特開２００１−４０２２７号公報
【特許文献５】
特開２００１−４００９９号公報
【特許文献６】
特開２００１−１３１３４８号公報
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、これらのアスファルト改質剤は熱可塑性エラストマーやゴム等の高価な改質剤を添加するものであるからコストアップとなり、その使用は主に重交通区分の専ら表層部分に限定される状況にあり、今尚、舗装用アスファルトの大部分を占めるストレートアスファルトの性能を、より簡便、安価に改善する方法が望まれている。
【０００９】
本発明者らは安価な道路舗装用のアスファルトバインダーの開発について鋭意研究を行った結果、カーボンブラック添加によるアスファルトバインダーのスティフネス向上は、単なる充填効果のみでなく、ベースアスファルト中の低分子量液体成分（飽和成分等）を吸収する効果も大きく寄与することを見出した。すなわち、カーボンブラックの混合、分散を容易にするオイル成分の同時添加は、むしろスティフネスを下げる方向に働き、カーボンブラックの機能が十分に発揮されていないことになる。
【００１０】
そこで、カーボンブラックを添加することによるストレートアスファルトの粘弾性および補強性能に与える影響について研究を進めた結果、特定の性状を有するカーボンブラックを用いるとともに、アスファルトバインダー中におけるカーボンブラックの分散状態がアスファルトバインダーのスティフネス向上に有効機能する事実を解明した。
【００１１】
すなわち、本発明は上記の知見に基づいて開発されたもので、その目的は、道路舗装用アスファルトの大部分を占めるストレートアスファルトの耐轍掘れ性能と耐ひび割れ性能の改善を両立させ、より広範囲の温度域において使用可能なアスファルトバインダー並びに舗装用アスファルト混合物を簡便、安価に提供することにある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するための本発明によるアスファルトバインダーは、ストレートアスファルト１００重量部に対し、窒素吸着比表面積(N₂SA)が４０〜１８０ｍ² ／ｇ、ＤＢＰ吸収量が８０ｃｍ³ ／１００ｇ以上のカーボンブラックを、３０重量部までの範囲で添加したアスファルトバインダーであって、下記（１）式で算出されるＡ値が２００ｎｍ以下の範囲にあることを構成上の特徴とする。
Ａ＝ｆ・Ｄst・｛〔（０．８６）／（φ・β）^1/3 〕−１｝…（１）
但し、ｆ＝ｅｘｐ（ΔＤ50／２Ｄst）² 、
β＝〔１＋０．０１８１（24Ｍ４ＤＢＰ）〕／１．５９である。
なお、Ｄstはカーボンブラックアグリゲートのストークス相当径分布のモード径（ｎｍ）、ΔＤ50は同ストークス相当径分布における半値幅（ｎｍ）、φは体積分率、24Ｍ４ＤＢＰは圧縮ＤＢＰ吸収量（ｃｍ³ ／１００ｇ）を示す。
【００１３】
また、本発明の舗装用アスファルト混合物は、このアスファルトバインダーを用いたものであることを特徴としている。
【００１４】
【発明の実施の形態】
本発明でいうストレートアスファルトとは、原油を常圧あるいは減圧蒸留して得られる石油アスファルトのみでなく、溶剤脱瀝アスファルトや天然アスファルト等をブレンドしたものを指し、好ましくは２５℃針入度が６０〜１５０のものが用いられる。
【００１５】
ストレートアスファルトに配合するカーボンブラックには、窒素吸着比表面積(N₂SA)が４０〜１８０ｍ² ／ｇ、ＤＢＰ吸収量が８０ｃｍ³ ／１００ｇ以上の特性を有するものが選択使用される。
【００１６】
窒素吸着比表面積(N₂SA)が４０ｍ² ／ｇを下回る大粒子径のカーボンブラックでは補強効果が十分でなく、一方１８０ｍ² ／ｇを上回ると粒子径が微細化するために、ストレートアスファルト中に均一分散させることが困難となることに加え、カーボンブラックの単価も上昇し、公共性の高い道路舗装用途には不向きとなるためである。実用的には１２０ｍ² ／ｇ程度までの汎用カーボンブラックが好適に使用できる。
【００１７】
ＤＢＰ吸収量はカーボンブラックのストラクチャーの大きさを評価する測定パラメータであり、この値が８０ｃｍ³ ／１００ｇ未満ではストレートアスファルト中の低分子量液体成分（飽和成分等）の吸収による性状改善効果が小さくなるためである。
【００１８】
これらの特性を有するものであれば、カーボンブラックの種類は特に限定されないが、特性の調節が比較的容易で、かつ安価なファーネスブラックが好適に使用される。なお、これら窒素吸着比表面積(N₂SA)およびＤＢＰ吸収量は、ＪＩＳＫ６２１７（１９９７）「ゴム用カーボンブラックの基本性能の試験法」により測定される。
【００１９】
これらの特性を有するカーボンブラックは、ストレートアスファルト１００重量部に対し、３０重量部までの範囲で添加される。カーボンブラックを配合したアスファルトバインダーは、動粘度が１８０±２０ｃＳｔに対応する最適混合温度を２００℃以下とすることが好ましく、これを越えると施工性の悪化に加え、過度の加熱によるベースアスファルトの劣化を招くことになる。このため、カーボンブラックの添加割合の上限を３０重量部に設定する。
【００２０】
この場合、アスファルトバインダー中におけるカーボンブラックの下記（１）式で算出されるＡ値が２００ｎｍ以下の範囲にあることが必要である。
Ａ＝ｆ・Ｄst・｛〔（０．８６）／（φ・β）^1/3 〕−１｝…（１）
【００２１】
但し、（１）式において、ｆ＝ｅｘｐ（ΔＤ50／２Ｄst）² 、β＝〔１＋０．０１８１（24Ｍ４ＤＢＰ）〕／１．５９であり、Ｄstはカーボンブラックアグリゲートのストークス相当径分布のモード径（ｎｍ）、ΔＤ50は同ストークス相当径分布における半値幅（ｎｍ）、φは体積分率、24Ｍ４ＤＢＰは圧縮ＤＢＰ吸収量（ｃｍ³ ／１００ｇ）を示す。
【００２２】
上記（１）式で算出されるＡ値は、アスファルトバインダー中におけるカーボンブラックのアグリゲート間の距離に関連するパラメータとなるものであり、カーボンブラックのアグリゲートの大きさ及びその分布、添加したカーボンブラックの配合量（体積分率）、カーボンブラックのストラクチャーの大きさ、等の影響を総合的に示すパラメータとなるものである。
【００２３】
そして、Ａ値が２００ｎｍ以下の範囲にある時に、スティフネスの向上と低温域での優れた機械的性状の両立化が図られるのである。すなわち、舗装道路の耐轍掘れ性能と耐ひび割れ性能の改善を両立させ、より広範囲の温度域において使用することが可能となる。
【００２４】
なお、Ａ値を算出するのに必要なカーボンブラックの特性は下記の方法によって測定される。
【００２５】
(1)アグリゲートのストークス相当径分布のモード径Ｄst（ｎｍ）、及び、同分布の半値幅ΔＤ50（ｎｍ）；
ＪＩＳ Ｋ６２２１（１９８２）５「乾燥試料の作り方」に基づいて乾燥したカーボンブラック試料を少量の界面活性剤を含む２０容量％エタノール水溶液と混合してカーボンブラック濃度０．１ｋｇ／ｍ³ の分散液を作成し、これを超音波で十分に分散させて試料とする。ディスク・セントリフュージ装置（英国Joyes Lobel 社製）を１００ｓ^-1の回転数に設定し、スピン液（温度２５℃の２重量％グリセリン水溶液）を０．０１５ｄｍ³ 加えた後、０．００１ｄｍ³ のバッファー液（温度２５℃の２０容量％エタノール水溶液）を注入する。温度２５℃のカーボンブラック分散液０．０００５ｄｍ³ を注射器で加えた後、遠心沈降を開始し同時に記録計を作動させて図１に示す分布曲線（横軸；カーボンブラック分散液を注射器で加えてからの経過時間、縦軸；カーボンブラックの遠心沈降に伴い変化した特定点での吸光度）を作成する。この分布曲線より各時間Ｔを読み取り、次式（数１）に代入して各時間に対応するストークス相当径を算出する。
【００２６】
【数１】

【００２７】
数１において、ηはスピン液の粘度(O.935×10^-3Pa・s)、Ｎはディスク回転スピード (100s^-1) 、ｒ₁ はカーボンブラック分散液注入点の半径(0.0456m) 、ｒ₂ は吸光度測定点までの半径(0.0482m) 、ρ_CBはカーボンブラックの密度(kg/ m³)、ρ₁ はスピン液の密度(1.00178kg/m³)である。
【００２８】
このようにして得られたストークス相当径と吸光度の分布曲線（図２）における、最大頻度のストークス相当径（モード径）をＤst（ｎｍ）とし、最大頻度に対し５０％の頻度が得られる大小２点のストークス相当径の差（半値幅）をΔＤ50（ｎｍ）とする。
【００２９】
(2)24Ｍ４ＤＢＰ（圧縮ＤＢＰ吸収量）；
ＪＩＳ Ｋ６２１７（１９９７）「ゴム用カーボンブラックの基本性能の試験方法」による。
【００３０】
【実施例】
以下、本発明の実施例を比較例と対比して具体的に説明する。
実施例１〜３、比較例１〜２
市販のストレートアスファルト（StAs80/100、25℃の針入度90、軟化点46℃）と東海カーボン（株）製カーボンブラック（#7350F、N₂SA80m²/g、DBP 吸収量 106 cm³/100g)を使用し、（株）ダルトン製万能混合攪拌機（2XDMV-01-Qr 型）を用いて、温度６０〜１００℃で混練して、ストレートアスファルト１００重量部に対してカーボンブラックを１、５、１０及び２０重量部の割合で添加したアスファルトバインダーを作製した。なお、比較例１はカーボンブラック未添加のベースアスファルトバインダーである。
【００３１】
これらのアスファルトバインダーについて、レオメトリックス（株）製アスファルトアナライザーＲＡＡを用いて、ＳＨＲＰ−Ｂ００３に準拠して動的粘弾性状の評価を行って、その結果を表１に示した。なお、評価試験は、サンプル２５ｍｍφ×１ｍｍ、１０ｒａｄ／ｓｅｃ、試験温度５０、６０、７０℃の条件で行った。
【００３２】
【表１】

【００３３】
表１から、カーボンブラックの添加重量部の増加とともに弾性化傾向にあり、特に、Ａ値が２００ｎｍ以下の場合には耐轍掘れ性能の指標となる G^* /sinδの値が顕著に上昇し、更に、粘性／弾性比を表す tanδの値が低下し、また、温度による tanδの変化も小さく、感温性が低減化傾向にあることが明らかに認められる。
【００３４】
実施例４〜７、比較例３
窒素吸着比表面積（Ｎ_２ＳＡ）及びＤＢＰ吸収量が異なるカーボンブラックを用い、ストレートアスファルト（ＳｔＡｓ８０／１００）１００重量部に対して１０重量部の割合で添加し、同じ方法でアスファルトバインダーを作製して動的粘弾性状の評価試験を行った。その結果を表２に示した。
【００３５】
【表２】

【００３６】
表２から、窒素吸着比表面積(N₂SA)が４０〜１８０ｍ² ／ｇ、ＤＢＰ吸収量が８０ｃｍ³ ／１００ｇ以上の特性を有するカーボンブラックを添加した実施例３〜６のアスファルトバインダーは、ＤＢＰ吸収量が８０ｃｍ³ ／１００ｇ未満のカーボンブラックを添加した比較例４のアスファルトバインダーに比べて、スティフネスの向上は明らかである。また、カーボンブラック補強理論で知られる、Ｇuth-Ｇold の式Ｇ＝Ｇo(１＋2.5 φ＋14.5φ²)からの推定値を上回り、ＤＢＰ吸収量が大きいものほどその向上幅も大きい傾向が認められる。
【００３７】
実施例８〜１１、比較例４〜５
次に、上記のアスファルトバインダーの一部について、低温下での３点曲げ試験（試験片２×２×１２ｃｍ、支点間距離８ｃｍ、載荷速度１００ｍｍ／ｍｉｎ、試験温度−５℃）を実施して、その結果を表３に示した。
【００３８】
【表３】

【００３９】
実施例のアスファルトバインダーは、比較例のアスファルトバインダーに比べて破断強度が高く、加えて破断歪みも大きく、カーボンブラック未添加のベースアスファルト（比較例４）の２倍以上に達しており、低温下における耐ひび割れ性の改善効果が顕著である。
【００４０】
実施例１２、比較例６
市販のストレートアスファルト（StAs60/80 、25℃の針入度72、軟化点49℃）１００重量部に対して、東海カーボン（株）製カーボンブラック（#7350F、N₂SA80m²/g、DBP 吸油量 106 cm³/100g)１０重量部を、合材工場における骨材ドライミキシング時に投入して作製した密粒度（１３）アスファルト混合物について、（社）日本道路協会「舗装試験法便覧」に準拠してマーシャル安定度試験（試験サンプル１００ｍｍφ×６３ｍｍ、載荷速度５０ｍｍ／ｍｉｎ、試験温度６０℃）を行い、得られた結果を表４に示した。なお、比較例６はカーボンブラック未添加のベースアスファルトによるアスファルト混合物の場合である。
【００４１】
【表４】

【００４２】
表４より、実施例１２のアスファルト混合物のマーシャル安定度は、比較例６に比べて、約３割増しの結果となり、耐轍掘れ性状の改善効果が明らかに認められる。
【００４３】
実施例１３、比較例７
実施例２のアスファルトバインダーを用いて作製した密粒度（１３）アスファルト混合物について、（社）日本道路協会「舗装試験法便覧」に準拠してホイールトラッキング試験（試験サンプル３０×３０×５ｃｍ、ソリッドタイヤ輪荷重７０ｋｇｆ、走行回数４２回／ｍｉｎ、試験温度６０℃）、及び曲げ試験（試験サンプル５×１０×３０ｃｍ、支点間距離２０ｃｍ、載荷速度５０ｍｍ／ｍｉｎ、試験温度０℃）を実施した。なお、比較例７はカーボンブラック未添加のベースアスファルト（比較例１に同じ）を用いたアスファルト混合物である。得られた結果を表５に示した。
【００４４】
【表５】

【００４５】
耐轍掘れ性能の指標となるホイールトラッキング試験の動的安定度において、実施例１３が比較例７に比べて優位にあることは明らかである。また、低温域での機械的性状においても、破断強度及び破断歪みの増大が認められ、耐ひび割れ性能の向上が図られている。
【００４６】
【発明の効果】
以上のとおり、特定のカーボンブラックを添加、配合し、更にカーボンブラックの特性から算出されるＡ値を特定した本発明のアスファルトバインダー並びにそれを用いた舗装用アスファルト混合物によれば、耐轍掘れ性能と耐ひび割れ性能の改善を両立させ、より広範囲の温度域において使用可能であり、アスファルトバインダー並びに舗装用アスファルト混合物を簡便、安価に提供することができ、その利用価値は極めて高い。
【図面の簡単な説明】
【図１】Ｄstの測定時におけるカーボンブラック分散液を加えてからの経過時間とカーボンブラックの遠心沈降による吸光度の変化を示した分布曲線である。
【図２】Ｄstの測定時に得られたストークス相当径と吸光度の関係を示す分布曲線である。

Claims (2)

1. ストレートアスファルト１００重量部に対し、窒素吸着比表面積(N₂SA)が４０〜１８０ｍ² ／ｇ、ＤＢＰ吸収量が８０ｃｍ³ ／１００ｇ以上のカーボンブラックを、３０重量部までの範囲で添加したアスファルトバインダーであって、下記（１）式で算出されるＡ値が２００ｎｍ以下の範囲にあることを特徴とするアスファルトバインダー。
   Ａ＝ｆ・Ｄst・｛〔（０．８６）／（φ・β）^1/3 〕−１｝…（１）
   但し、ｆ＝ｅｘｐ（ΔＤ50／２Ｄst）² 、
   β＝〔１＋０．０１８１（24Ｍ４ＤＢＰ）〕／１．５９である。
   なお、Ｄstはカーボンブラックアグリゲートのストークス相当径分布のモード径（ｎｍ）、ΔＤ50は同ストークス相当径分布における半値幅（ｎｍ）、φは体積分率、24Ｍ４ＤＢＰは圧縮ＤＢＰ吸収量（ｃｍ³ ／１００ｇ）を示す。
2. 請求項１記載のアスファルトバインダーを用いた舗装用アスファルト混合物。

Images