JP4383706B2 - 発泡中温化混合アスファルト組成物の製造のための方法およびシステム - Google Patents

Description

【０００１】
本発明は、発泡中温化混合アスファルト組成物(warm foam mix asphalt composition)の製造のための方法および系に関する。
【０００２】
道路の建設または舗装に用いるアスファルト混合物は一般的には、石／砂利、砂、石粉(filler)および結合材成分からなる。結合材成分を、この明細書の目的のために瀝青と呼ぶが、他の結合材成分も同じく適用できる。瀝青成分は天然に存在する瀝青または鉱物油から誘導されたものであり得る。砂、石／砂利および石粉を、骨材材料または骨材粒状材料と呼ぶ。
【０００３】
瀝青は鉱物性骨材成分のための接着剤として機能する。瀝青はアスファルト混合物全体のうちのわずかであり、典型的には4〜7重量％（または10〜15容積％）である。
【０００４】
アスファルト組成物は通常は2種類に、すなわち「加熱混合」アスファルトと「常温混合」アスファルトとに、大別できる。第三のあまり一般的ではない「中温化混合」アスファルトもまた、後により詳細に記載するように利用されている。
【０００５】
加熱混合アスファルトは常温混合アスファルトよりも全体的な性能が優れており、このために交通量の多い道路に使用される。加熱混合アスファルトを製造するときは、加熱した結合材を混合のために骨材材料に添加する前に、骨材材料を加熱する。
【０００６】
加熱混合アスファルトの製造は、典型的には150℃〜190℃の温度で行い、道路への敷き均しおよび締め固めは、典型的には130℃〜160℃の温度で行う。場合によっては、より高い温度が指定されることもある。瀝青および鉱物骨材は幾つかの理由により加熱する必要がある。骨材は乾燥している必要があり、瀝青は骨材成分に適切に被覆し付着するために低い粘度を有する必要が有り、そして、アスファルト混合物は、道路に敷き、広げ、そして締め固めることができるだけの十分に低い混合物粘度を有している必要がある。アスファルト混合物の種類および瀝青の等級は製造温度を大きく支配する。加熱混合アスファルトは殆ど直ぐにその最終的な強度／安定性になる。そのため、加熱混合アスファルトは殆ど直ちに通行に耐えることができる。
【０００７】
アスファルトの成分の加熱は通常は化石燃料により行い、そしてこのことは環境面で好ましくないガスや塵を生じることがあり、再生不可能な資源を消費し、そしてアスファルトの全体のコストに上乗せされる。加えて、高温でアスファルトを扱うことは、潜在的な安全面での危険を孕んでいる。
【０００８】
常温混合アスファルトは、加熱混合アスファルトよりも、安価で、適用が容易で、環境面でより好ましい。常温混合アスファルトの製造において、骨材材料は、加熱または常温結合材材料と混合するときは常温でありかつ湿っている。常温混合アスファルトの混合を容易にするために、結合材を、常温でありかつ湿った骨材材料と混合する前に発泡させることが多い。
【０００９】
発泡させた瀝青の種々の製造方法はノルウェー特許出願第854387号および国際公開第95/22661号に開示される。残念なことに、常温混合アスファルトに関する技術では、従来の加熱混合アスファルト混合物に比べて品質が劣る混合物になってしまう。このことは、瀝青による骨材の被覆がより劣ること、該アスファルト混合物中に水が存在すること、および該アスファルト混合物を敷き広げて締め固めることができる性能がより劣ることなどの種々の要因による。このことで、該アスファルト混合物に水と空気が非常に浸透しやすくなり、最終的な道路表面を摩耗を受け易いものにする。これは、ばらばらの粗大な骨材が道路表面からかなり容易に失われることを意味する。また結合性が低下し、このことは究極的には素材の崩壊および内部安定性の喪失という結果を生じ得る。これは道路表面で多く見られ、わだち掘れとして知られている。常温混合アスファルトは混合物の強度を出すために必要な一定の養生期間を必要とする。養生期間は典型的には数日間から数ヶ月である。逆にこれは、上記の理由により、アスファルト表面のより速い変形、ひび割れおよび表面劣化という結果を引き起こす。常温混合アスファルトは典型的には、例えば北欧諸国およびオーストラリアにおける交通量が多くない道路に使用される。
【００１０】
上記の問題の幾つかを克服するために、国際公開第97/20890号は、従来の加熱混合工程におけるよりも幾分低い温度でアスファルトを製造する「アスファルト組成物の製造方法」を提唱する。より低い温度の使用は、別個の部分（すなわち硬質成分と軟質成分）に瀝青結合材を使用することで可能になる。硬質成分と軟質成分とは一緒になって通常の最終規格を満たす瀝青を形成する。軟質成分は鉱物骨材とかなり低めの温度で混合できる（60℃〜130℃、好ましくは90℃〜110℃）。後に硬質瀝青成分を粉末形態または乳化形態でこの混合物中に分散させる。典型的には、「硬質」瀝青成分は50 dmm以下の針入度を有する。この成分の温度は典型的には20℃〜70℃であってよい。この方法で、70℃〜100℃の温度で敷き、広げ、そして締め固めることができるアスファルト混合物が得られる。実験室内および屋外での試験では、これらのアスファルト混合物の優れた性能が示された。このような、加熱混合物と比較して混合温度が低いアスファルトを、本明細書の目的のために「中温化混合物(warm mix)」と呼ぶ。
【００１１】
しかしながら、乳剤を用いた中温化混合アスファルト混合物は高価でありかつ製造、混合、敷き均しおよび締め固めの際の使用が煩雑であることが分かっている。瀝青乳剤から製造したアスファルト組成物は、乳剤の破壊、締め固めおよび機能の際に水を逃がすための空隙を比較的多く含む瀝青／骨材混合物を必要とする。この方法で用いる乳剤は典型的には30〜50％の水を含む。瀝青乳剤は、施工業者にとって、アスファルト混合工場に乳化工場と追加の貯蔵タンクが必要であるために製造コスト及び設備コストの両面において、製造するのが非常に高価である。乳剤の運搬は30〜50％が水であるものを運搬するためにコスト面で効率的ではない。また、増えた重量を運搬することは、環境面で好ましくない物質の排出の増加にもつながる。
【００１２】
瀝青乳剤の製造と取り扱いは、製造に使用する化学物質、最終製品の霜感受性（frost sensitivity）および個別のタンクの必要性などのために、幾つかの追加措置が必要である。
【００１３】
従って、加熱混合アスファルトの品質を有していながら、環境面で好ましく、常温混合アスファルトのコストおよび扱い易さを備えたアスファルト混合物に対する要望がある。一般大衆および産業界内における健康、安全および環境への意識が高まった結果、再生できない化石燃料の使用の低減、エネルギーの節約およびその結果としての排気の低減を目的とする顕著な努力が行われている。アスファルト産業における加熱アスファルト混合物の製造温度の低減はこの目的に近づくことを助けるであろう。
【００１４】
従って、本発明は、加熱混合物よりもより低い温度で製造できて、投入エネルギーがより小さく、機械的特性が等しいかまたはより優れており、かつ同じかまたはより低いコストのアスファルト組成物を提供する。このことは、粒状の骨材材料を軟質結合材と混合すること、および粒状の骨材材料と軟質結合材との上記混合物に発泡硬質結合材を添加すること、を含む中温化混合アスファルト組成物の製造方法により実現される。
【００１５】
図１は、「従来の加熱アスファルト混合物の製造」と本発明の「発泡中温化アスファルト混合物の製造」とを比較したアスファルト混合物の製造経路の模式図による比較を示す。図２は、硬質結合材の発泡方法の例を示す。
【００１６】
種々の成分を混合した後に、硬質結合材と軟質結合材とを統合すれば、目的とする特性を有する結合材成分が形成される。硬質結合材を発泡させると粘度が低下し、低めの温度において、結合材の骨材成分への適切な被覆と付着が可能になる。
【００１７】
発泡させた硬質結合材の使用は、得られるアスファルト混合物および舗装の品質を害することなく、瀝青粉末または瀝青の乳化形態の使用に対して顕著な経済的利点および環境面での利点を有する。水含量は、乳剤が前述の30〜50％であるのに対して、わずか2〜5％である。このことは貯蔵、品質、熱必要量および運搬という面で顕著な効果を有する。乳化した結合材と比較して発泡瀝青の水含量は低いので、少しの加熱による迅速な養生が可能である。
【００１８】
発泡常温混合アスファルトと比較して、本発明の方法で作成したアスファルトは、発泡結合材成分を用いた常温混合アスファルトよりも、空隙率がかなり低い高密度のアスファルト混合物を与える。発泡常温混合物に使用する結合材は、180 dmm〜700 dmmの軟らかい針入度を有する。
【００１９】
さらに、乳剤中で使用する「硬質」瀝青成分は典型的には、本発明の発泡硬質瀝青の最大針入度が実際の適用に応じて100 dmmよりも小さいのに対して、50 dmm以下の針入度を有する。
【００２０】
本発明のアスファルト混合物を結合材の発泡を利用する常温混合アスファルトと比較したとき、発泡常温混合アスファルトが交通量の少ない道路でしか使用できないのに対して、本発明の混合物は交通量の多い道路に適用できるということは強調すべきである。これは、従来の発泡常温混合アスファルトに使用する瀝青は針入度の値が高い（180〜700 dmmの）瀝青であることによるものである。本発明の方法で使用する瀝青の最終的な等級は、より硬くてよく、60〜250 dmmの典型的な針入度を有する。常温混合アスファルトの製造は通常は現場、すなわち道路上で、周囲の温度（常温）にて行う。一方で、本発明のアスファルトは、アスファルト工場および／または道路上で、典型的には60〜100℃で製造され得る。このことはこれらアスファルト混合物の応用と応用性に直接影響がある。
【００２１】
本発明においては、乳化した軟質結合材成分と乳化していない軟質結合材成分との両者を使用できるが、乳化していない軟質結合材が好ましい。乳化した軟質結合材を用いる場合、当該乳化した軟質結合材は大量の水を含む。この水は、該混合物の完全な結合性と強度に達するまでに、該混合物から排出されなければならない。乳化剤は陽イオン性乳化剤または陰イオン性乳化剤のいずれかでもよい。
【００２２】
硬質結合剤成分を、発泡硬質結合剤成分として混合物に添加する。特定の条件において利点が見出せるのであれば、軟質結合剤もまた発泡軟質結合剤として添加してよい。
【００２３】
軟質結合剤成分は、比較的低い温度で、すなわち120℃よりも低い温度で骨材に添加することもできる。
【００２４】
軟質結合剤は、通常、少なくとも70℃の温度で、好ましくは60〜130℃の範囲の温度で、より好ましくは90〜110℃の温度で骨材に添加されるであろう。
【００２５】
この出願では、軟質結合剤成分を、少なくとも200 dmmの針入度を有する結合材成分と定義する。
【００２６】
適切には、軟質結合材成分は、少なくとも500 dmm、好ましくは少なくとも700 dmm、より好ましくは少なくとも800 dmmの針入度を有する（ASTM D 5により25℃にて測定）。かかる結合材成分は多くの場合その粘度にて特徴づけられる（ASTM D 2171により100℃にて測定）。軟質結合材成分は0.300 Pa.sより小さい、好ましくは0.200 Pa.sより小さい粘度を有する。
【００２７】
本発明で製造したアスファルトは主に道路での使用を意図している。しかし、他の使用もまた本発明の範囲に属すると考えるべきである。
【００２８】
本発明の方法で作られる密粒度アスファルトは、好ましくは約10％よりも低い空隙率を有し、より好ましくは3〜10％の範囲にある空隙率を有する。
【００２９】
本発明の方法で作られるアスファルトはまた、凡そ15％〜25％の空隙率を有する開粒度アスファルトでもよい。
【００３０】
本発明の実施形態は次の実施例により記述される。
【００３１】
方法経路の概略的な比較を図１に示し、結合材発泡方法を図２に示す。品質とコストの比較は表２および１に示す。
【００３２】
アスファルト混合物を製造するためのアスファルト製造装置（図1）は、本発明の方法を使用し、乾燥ドラム、混合ミル、混合物貯蔵サイロおよび瀝青発泡装置を含む。石／砂を乾燥ドラムに導入し、約130℃に加熱する。続いて熱した石／砂を混合ミルに導き、そこで軟質瀝青と約120℃で混合する。軟質瀝青が石／砂と適切に混ざったら、発泡硬質瀝青を混合物に添加し、最後に石粉を約20℃で混合物に添加するまで混合を続ける。生成物は重量で凡そ、90％の石／砂、2.5％の軟質瀝青、2.5％の硬質瀝青、および5％の石粉からなる。
【００３３】
発泡瀝青は、高温の瀝青の制御された流れを第一の弁（A）を通して配管に導くことで作られる（図2）。第一の弁（A）は貯蔵タンクへの循環を可能にし、これにより系に必要な安定な温度を確保する。配管系の温度は、加熱オイルまたはヒーターケーブルを備えた配管で覆うことおよび分離(isolation)により制御し維持する。選択する温度は、瀝青の品質、硬さ、および容積の応答的な (requited) 増加に依存する。温度は典型的には130℃〜180℃の範囲にある。
【００３４】
冷たいまたは暖かい（5℃〜80℃）水の制御された流れを、2〜7％のオーダーの量で、瀝青へと第二の弁(B)を通して導き添加する。瀝青の流れに水を注入することにより、瀝青は膨張する。瀝青は、混合チャンバー中のスタティックミキサーにて均質化される。典型的には容積が10〜20倍に増えた膨張した瀝青を、出口を通して混合チャンバーから排出し、1個または数個のノズルを通して骨材混合物に添加する。
【００３５】
この方法を、同じ品質のアスファルトを製造する標準的な加熱混合工程と比較するとCO₂排出が60〜70％低く、微粉排出が30〜40％低く、そして燃料消費が40〜60％低いということが見出された。
【００３６】
下記の表1および表2はそれぞれ、加熱混合物との相対的な品質の比較および相対的なコストの比較を示す。表1では、「＝」は平均または等しいことを指し、「＋」は等しいまたは平均より上であることを指し、「−」はより悪いまたは平均よりも下であることを指す。「？」は、不確かであること、「不明」であること、または測定していないことを指す。
【００３７】
【表１】

【００３８】
【表２】

【００３９】
上記の限定するものではない実施例は本発明の一実施形態であり、他の実施形態もまた、本発明の精神および範囲内で行うことができることを理解されたい。本発明は添付した特許請求の範囲によってのみ限定される。
【図面の簡単な説明】
【図１】 従来の加熱アスファルト混合物の製造と本発明の発泡中温化アスファルト混合物の製造とを比較したアスファルト混合物の製造経路の模式図である。
【図２】 硬質結合材の発泡方法の例を示す図である。

Claims (13)

1. 道路の建設または舗装に用いる中温化混合アスファルト組成物の製造方法であって、粒状の骨材材料を軟質結合材と混合すること、および粒状の骨材材料と軟質結合材との上記混合物に、発泡させた、100 dmmよりも小さい針入度（ASTM D 5により25℃にて測定）を有する硬質結合材を添加することを含む、上記方法。
2. 100℃にて0.3Pa.sよりも小さい粘度（ASTM D 2171により100℃にて測定）を有する軟質結合材成分を使用することを特徴とする、請求項１に記載の方法。
3. 骨材を、軟質結合材および硬質結合材と混合する前に、60℃〜120℃に加熱することを特徴とする、請求項1に記載の方法。
4. 請求項１に記載の方法であって、発泡させた硬質結合材を、以下のステップ、すなわち；
   未発泡の硬質結合材を130〜180℃の温度に加熱するステップ、
   5〜80℃の温度の水を用意するステップ、および、
   2〜7重量％の水を、上記の加熱した未発泡の硬質結合材中に注入して、上記の加熱した未発泡の硬質結合材を膨張させて発泡硬質結合材にするステップ、
   を特徴とする別個の発泡工程にて作成する、上記方法。
5. 水含量が5％以下である発泡硬質結合材を使用することを特徴とする、請求項１に記載の方法。
6. 軟質結合材成分を、120℃よりも低い温度で骨材に添加することを特徴とする、請求項１に記載の方法。
7. 中温化混合物の温度が混合後に80℃〜115℃であることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
8. 中温化混合アスファルト組成物が、空隙率が2％〜10％である密粒度アスファルト組成物であることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
9. 中温化混合アスファルト組成物が、空隙率が14％〜26％である開粒度アスファルト組成物であることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
10. 軟質結合材と骨材材料とを中温化処理用混合設備にて予備混合してアスファルト敷設場所への運搬用の半完成製品とし、アスファルト敷設場所において上記半完成製品に発泡硬質結合材を製品敷設機械中で適用する、請求項１に記載の方法。
11. 結合材成分として瀝青成分を使用することを特徴とする、請求項１〜１０のいずれか１項に記載の方法。
12. 骨材成分を加熱し乾燥するための乾燥ドラムと、アスファルト成分を混合するための混合ミルと、混合物貯蔵サイロとを備えてなる、請求項１に記載の中温化混合アスファルト組成物を製造するためのシステムであって、混合ミルに加える前に硬質結合材を発泡させるための発泡設備を更に含むことを特徴とする、上記システム。
13. 発泡設備が、硬質結合材成分を加熱するための加熱手段と、続いて硬質結合材に水を導入して発泡硬質結合材を生じさせるための、水または蒸気を導入する構成要素とを備えていることを特徴とする、請求項１２に記載のシステム。

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