JP4995452B2 - 舗装材 - Google Patents

Description

本発明は、舗装材に関するものである。

舗装材とは、道路の舗装に用いる材料であり、路盤、その他の地面、橋梁、高速道路等に塗布、充填するものである。
アスファルト舗装は最も多い舗装道路であり非常に優れたものである。更に、最近では、雨水によるハイドロプレーニング現象による事故、騒音問題等の観点から、透水性のアスファルト舗装が用いられてきている。
これは、使用するアスファルトを減らし、骨材間に空隙を持たせたものである。この空隙によって水を下方に浸透流下させ、且つ騒音の原因となる音波を低減する。しかし、この空隙のためどうしても構造が弱体化し、骨材が離脱、飛散しやすく舗装面の損傷が早い。

そこで、このアスファルト舗装面に補強材として樹脂モルタルを塗布することが行なわれてきている。この樹脂モルタルによって、骨材の離脱、飛散を防止するのである。このような樹脂モルタルは、価格や硬化物物性、施工性その他から現在ほとんどすべてがエポキシ樹脂である。

また最近では、騒音を軽減したい、道路上の凍結をできるだけ防止したい、透水性も確保したい等の多機能が要求されるようになってきている。これには、骨材を弾性体にして、舗装体全体を弾性構造にすることが考えられているが、その場合、樹脂がエポキシでは、弾性がほとんどなく、弾性体の変形に追従できないので、弾性体の性能が活かされず、骨材を弾性体にした意味がなくなる。また、エポキシ樹脂自体耐候性がよくなくその点も問題であった。

そこで、比較的弾性のあるウレタンを用いることが考えられるが、従来の１液型ウレタン樹脂では、低温での硬化性、硬化時間等の問題があった。また、１液型ウレタン樹脂の場合、どうしても発泡してしまうことが多く、且つ一般的に粘度が高く、作業性も悪かった。

舗装材としては、強度は当然ながら必要であるが、単に強度が優れているだけでなく、ある程度の柔軟性、即ち、引張伸度（引張破断するときの伸び率）が大きい方がよい。これにより、舗装全体としての柔軟性あるいは衝撃吸収性を付与し、上記した多機能の要望に答えるものである。そこで、本発明では、低温での硬化が速く、強度も大きく、且つ柔軟であり耐久性を有する舗装材として優れた樹脂モルタルを提供する。

以上のような状況に鑑み、本発明者は鋭意研究の結果本発明舗装材及び舗装方法を完成したものであり、その特徴とするところは、舗装材にあっては、下記ａの１液湿気硬化型ウレタン組成物と骨材の混合物であり、該両者の混合物の硬化体が連続空隙を有している点にあり、
（ａ イソシアネート基の含有量が２〜１２重量％である第１のイソシアネート化合物と、イソシアネート基の含有量が２５〜４０重量％である第２のイソシアネート化合物との混合物）、
更に舗装方法にあっては、請求項１記載の舗装材を、道路表面に存在する空隙に摺り切り充填する点にある。

本発明の第１の特徴は、使用するウレタン組成物であり、それは上記したａに記載のものである。
ここでいう第１のイソシアネート化合物とは、イソシアネート基を２以上有するもので、通常は２つであるが、３つでもよい。４つ以上でも可能であるが、硬化物が硬くなる。また、通常は種々の重合度のプレポリマーの混合物であるため、１分子あたりのイソシアネート基の数としては２．０〜２．３程度が好適である。
第１のイソシアネート化合物のイソシアネート基含有量は、適度な柔軟性のある硬化物を得るために、２〜１２重量％が好ましく、１２重量％以上では硬化物が硬く、脆くなるので好ましくない。また、２重量％未満では、硬化速度が遅く硬化物の強度が低くなるので好ましくない。

このようなプレポリマーは、通常、ジフェニルメタンー４，４’−ジイソシアネート（ＭＤＩ）のようなイソシアネートモノマーとエチレングリコールやグリセリンやポリエーテルポリオールのような多価アルコールあるいは主鎖にエーテル結合を有し末端に水酸基を有するオリゴマー（分子量約４００程度以下）との反応で得られるものである。

このプレポリマーのイソシアネート基の含有量とは、イソシアネート基の分子量（４２）×イソシアネート基の数を、全体の分子量で除したものである。イソシアネート基が２つの場合では、その含有量が２〜１２重量％ということは、全体の分子量が７００〜４２００ということである。また、イソシアネート基が３つの場合では、１０５０〜６３００となる。

次に第２のイソシアネート化合物は、上記したプレポリマーよりは低分子量で、通常はモノマーである。このイソシアネート基の含有量は、２５〜４０重量％である。これも上記同様に計算すると、イソシアネート基が２つの場合では、その含有量が２５〜４０重量％ということは、全体の分子量が２１０〜３３６ということである。また、イソシアネート基が３つの場合では、３１５〜５０４となる。

この低分子イソシアネート化合物の例としては、ジフェニルメタンー４，４’−ジイソシアネート（ＭＤＩ）、クルードＭＤＩ、ＭＤＩとポリオールとの反応物及びカルボジイミド変成ＭＤＩ、更にはトリレンジイソシアネート（ＴＤＩ）等であり、またそれらの混合物でもよい。

このように大小少なくとも２種のイソシアネート化合物を混合したことが本発明の大きな特徴である。即ち、従来のようにプレポリマーだけでは、粘度が高く、作業性が悪い。これを改善するにはどうしても溶剤を多用しなければならなくなる。また、低分子イソシアネート化合物のみでは、均一な硬化をさせることが難しく、発泡したり、部分的に硬化不良となる。硬化物は、伸度が小さく硬くて脆い等の問題がある。

本発明のように混合物にすると、その両方の欠点が補われることになる。この２種の混合比率は、（第１のイソシアネート化合物）／（第２のイソシアネート化合物）（重量比）＝９０／１０から２０／８０が好ましい。この範囲が作業性、強度等の兼ね合いが優れているのである。
また、第１および第２のイソシアネート化合物の混合物の全イソシアネート基の含有量は１０〜２５重量％が好適である。その理由は、１０％未満では樹脂液が高粘度になったり、硬化後の樹脂が低強度になる問題があり、２５％を超えると硬化後の樹脂のもろさが問題となるためである。

更に、これらには少し、例えば、第１のイソシアネート化合物１００重量部に対して１〜２０重量部程度の溶剤を混合してもよい。溶剤としては、エステル系のものがよく、酢酸エチル等が好適である。芳香族系の溶剤はウレタンの溶解性に優れているが、被施工面となるアスファルト舗装面への接着を阻害し、カットバックが起こりやすい。これに対し酢酸エチルなどはほとんどアスファルト構造物に悪影響を及ぼさず、ウレタン樹脂の接着も阻害しない。

このような樹脂（混合液）には、本発明の目的を逸脱しない限りにおいて、他のものを混合してもよい。例えば、硬化促進剤、顔料、紫外線吸収剤、その他である。
樹脂の混合液は、硬化速度（夏、冬用）の調節のため第３級アミンを含む硬化促進剤を添加するのがよく、樹脂の施工性向上のためには樹脂粘度調整用に酢酸エチルの添加、さらに樹脂の着色のために酸化鉄、ベンガラ、酸化チタンなどの顔料を添加することにより、多くの現実的な機能を保有することになる。これらを含む樹脂液は安定で取り扱い容易である。

このような樹脂の物性としては、粘度は２５℃で、７００〜３０００ｍＰａ・Ｓ程度がよく、これの硬化物の引張強度は１０〜４０ＭＰａ、好ましくは１５〜３５ＭＰａであり、引張伸度は１０〜１００％、好ましくは１２〜５０％程度である。この強度や伸度は、ＪＩＳ Ｋ６２５１に準拠して求めたものである。この時の試験片（フィルム状）の形状は、ダンベル２号試験片であり、樹脂が反応によりガスを発生し発泡する可能性があるため、試験片の厚さは２００〜５００μにした。

骨材は有機物、無機物、その複合物又は混合物からなり、その９０％以上が粒子径２０ｍｍ以下のものである。９０重量％以上が粒子径２０ｍｍ以下であることは、即ち目開きが２０ｍｍのふるいを通過させたとき、ふるい通過率が９０重量％以上であればよい。具体的な例としては、砂利、砕石、プラスチックペレット、ゴム粒子等である。
本発明では、骨材としては、弾性骨材が好ましい。弾性骨材とは、ゴムやプラスチック製のもので変形回復性を有するものである。その固さは、軟質ウレタンや自動車のタイヤ程度が好適である。このような弾性骨材を使用することによって、舗装体全体が柔軟性を示すようになる。骨材のサイズは、通常の舗装用の樹脂モルタルのものと同じ程度でよい。例えば、０．１〜１０ｍｍ程度である。

更に、この弾性骨材を芯材として周囲に粉体を接着剤によって固着したものも好適である。接着剤は、どのようなものでもよく、芯材と粉体とを固着させる機能があればよい。固着は必ずしも確実に接着する必要はなく、ある程度の力で付着していればよい。

好ましい弾性骨材の調整方法について説明すると、まず芯材に接着剤を付着させる。その方法は、噴霧、塗布、浸漬（所謂どぶ漬）、容器内での撹拌付着等どのような方法でもよい。付着の厚みも、粉体が固着できる程度あればよく、厚く付着させる必要はない。

粉体とは、珪砂の細粒や粉、セメントの粉、炭カル、シリカ、セラミック等の無機粉体、またプラスチックの粉砕品等の有機粉体でもよく、粉体、粒体やいびつな形状のものでもよい。繊維等の長形のものでも、フライアッシュ等の微粉末でもよい。化学的な性質や反応を必ずしも求めているのではなく、その物理的な存在、形状そのものを第１に求めているためである。勿論、化学的にも固着するものであればなお好ましい。
粉体のサイズは、０．０１μ〜１ｍｍ程度であるが、芯材のサイズによってはより大きくてもよい。粉体のサイズはあくまでも、芯材との相対的な関係で定めればよい。

接着剤が付着した芯材に粉体を固着させるには、それに粉体をまぶせばよいのである。例えば、樹脂コーティングした芯材を粉体中を転がす、芯材に粉体を噴霧する、粉体の入った容器内に芯材を入れて撹拌する等自由である。

また、骨材として、弾性骨材と通常の硬質骨材を混合して用いてもよい。また、そのサイズによって変えてもよい。小さいものは硬質のセラミック、大きいものは弾性のある粉体／樹脂コーティング廃タイヤゴムチップ等である。

本発明の舗装材は、排水性あるいは透水性を有するものであり、そのため１液湿気硬化型ウレタン組成物と骨材との混合物の硬化体は連続空隙を有さなければならない。空隙率は、１０〜４０容積％が好適である。
連続空隙とは空隙同士が繋がっていて封鎖されていないことを意味する。舗装体では、従って、水や空気などの流体を重力や圧力によって通過させることができる。連続空隙の空隙率は、成形体の重量と、成形体を水中に浸漬し、連続空隙内の気体を除去した時の水中重量を測定する方法、即ちアルキメデスの原理に基づく方法によって測定することができる。空隙率１０〜４０容積％が好適な理由は、１０％未満では舗装材とした時の透水性が不十分であり、４０％より高い値では舗装材の機械的強度が不足してくるからである。

骨材とウレタン樹脂の比率は、骨材の密度にもよるが、１００：（８〜３０）（重量比）が適当である。
骨材はウレタン樹脂の膜で被覆され、骨材同士が結合される。ウレタン樹脂は１液湿気硬化型であるため湿気により反応が進み、炭酸ガスを放出する。ガスは骨材表面の膜を通して空隙の中に放出されるが、連続空隙の無いような構造例えば、樹脂量比が多すぎると空隙ではなく閉鎖空間となり、発生ガスにより膨張する、即ち発泡することになる。当然、閉鎖空間も少ないような密粒状態ではさらに不適当である。

本発明の１液湿気硬化型ウレタン樹脂は、通常のウレタン樹脂に比べれば、強度が大きく伸度が小さい。骨材が芯材としてタイヤの破砕物（粒状）を使用し、周囲に粉体を接着剤によって固着した物を例に取ると、本発明のウレタン樹脂はきわめて望ましい性能を示す。道路表面に舗装されて存在する舗装材（硬化物）は、何百％も変形するとすれば大破壊にもつながると考えられるし、車両の走行にも問題が発生する。本発明の樹脂は舗装体の変形（例えば、圧縮による場合）は数十％にも耐えられる。それは体積の変形に対し、表面に付着する樹脂被膜の変形（伸度）はかなり小さくてすむためである。伸度を抑えることにより樹脂の強度を増し、これにより弾性骨材の拘束を強く保っている。そのため、舗装材は耐久性のあるものとなる。しかし、その結果弾性骨材の騒音低減性や凍結抑制効果を失っては意味がない。しかし、実路での試験（通常の開粒アスコン舗装上に本発明の樹脂モルタルを摺り込み充填した道路）では、優れた騒音低減効果と凍結抑制効果を示すことが実証された。
本発明のウレタン樹脂は、弾力性を示す。変形しても瞬時に回復し元の形に戻る。弾性のない樹脂（例えばエポキシ樹脂）は変形回復が遅く、衝撃による変化が繰り返し加わると遂には破壊に至る。

本発明の舗装材の調合方法及び使用方法は次の通りである。
舗装材は骨材として表面加工ゴムチップ（粉体／樹脂コーティングしたもの）を例にとれば、加工ゴムチップ：ウレタン樹脂バインダー＝１００：２０（重量部）で混合し、樹脂モルタルを調製する。ここで、樹脂バインダーは雰囲気や外部気象条件に合わせて硬化速度や可使時間の調節をしたり、施工性を改良するために添加剤を加えて調製しておく。
バインダー用ウレタン樹脂（第１のイソシアネート化合物と第２のイソシアネート化合物の混合物）１００重量部に対し、１〜２０重量部の硬化促進剤混合物を添加混合し、これを使用する。
混合物は、(1) 第３級アミンを必須成分とする組成物、(2) 酢酸エチル、及び (3)顔料からなるが、硬化促進の必要がない時には(1)、粘度調整不要の場合に は(2)、樹脂モルタルをさらに着色する必要がない時には(3)がそれぞれ不要となりうる。場合により、(1), (2), (3)から適宜選んで使用すればよい。
このような混合物を、硬化前（可使時間内）に塗布、敷設、施工、塗工等すればよい。

本発明の場合、樹脂モルタル（舗装用）の可使時間が比較的長く、硬化速度は速いという利点がある。これも第２のイソシアネート化合物を混合している効果である。
可使時間としては１５〜３０分程度で、舗装道路としての開放可能時間は１．５〜５時間程度が可能である。これは従来の類似の舗装材に比べて画期的な数値である。

本発明舗装材は、前記した透水性舗装上だけでなく、どのような通路にも適用できる。その敷設方法も舗装路の表面間隙に摺り切り充填（塗工）する方法と、積層塗布する方法、その両方を行う方法がある。
摺り切り塗工する方法は、主として被施工面である透水性アスファルト舗装の間隙に充填はするが、原則としてアスファルトの表面以上には塗布しない方法である。よって、具体的な方法としては、均し具と摺り込み用具（機械装置も含む）によって間隙に塗工し、アスファルト舗装表面を超えて載っている樹脂モルタルを原則として除去することとなる。この方法では、舗装面の高さは実質的に変わらない。

被施工面の表層以上にも積層塗工する方法では、ある程度被施工面であるアスファルト舗装表面の間隙にも充填はされるが、アスファルトの表面以上に数ｍｍ〜数ｃｍ上乗せして塗布するのである。この方法では、被施工面のアスファルト舗装表面に大きな凹凸が存在した場合等はその補正もできる。

本発明舗装材及び舗装方法には、次のような大きな利点がある。
（１） 樹脂の粘度を調整できるため、施工性が非常によい。
（２） 低温硬化性がよく、冬場でも寒冷地でも可能である。
（３） 対象とする舗装材は連続空隙を有する構造であるため、そのバインダー樹脂である１液湿気硬化型ウレタンの発泡問題は、薄膜からの脱泡により、ほぼ回避される。
（４） 本発明の塗布材を構成するウレタン組成物バインダーは、弾性骨材とのモルタルを形成した場合、強度に優れ、適度の柔軟性を有する。そのため、舗装材として表面塗工した場合、優れた耐久性と騒音低減、凍結抑制などの効果を発揮する。

以下実施例に沿ってより詳細に説明する。

まず、樹脂成分の例（樹脂例）を示す。
樹脂例１
第１のイソシアネート化合物が８７重量部、第２のイソシアネート化合物１３重量部である。第１のイソシアネート化合物には、ポリエーテルポリオールとＭＤＩとの反応物を採用した（イソシアネート基の含有量が７重量％）。また、第２のイソシアネート化合物には、ＭＤＩを採用した（イソシアネート基の含有量が３０重量％）。なお、両イソシアネート化合物の混合物のイソシアネート含有量は１０％であった。

同様に第１のイソシアネート化合物と第２のイソシアネートは同じものを使用し、その混合割合だけを変えたものを樹脂例２、３とした。

樹脂例４
第１のイソシアネート化合物（イソシアネート含有率１１％）と第２のイソシアネート化合物（イソシアネート含有率３８％）との重量比６０：４０混合物を調整し樹脂例４とした。混合物の全イソシアネート基の含有量は２２重量％であった。

樹脂例５
第１のイソシアネート化合物（イソシアネート含有率４％）と第２のイソシアネート化合物（イソシアネート含有率２５％）との重量比５０：５０混合物を調整し樹脂例５とした。

樹脂の比較例
第１のイソシアネート（樹脂例１と同じもの）のみのものを樹脂の比較例１とし、第２のイソシアネート（樹脂例１と同じもの）のみのものを樹脂の比較例２とした。更に、両方を含有するもので本発明外のものとして樹脂の比較例３を準備した。それは、第１のイソシアネート化合物（イソシアネート含有率１６％）と、第２のイソシアネート化合物（イソシアネート含有率３５％）との重量比７５：２５の混合物である。

これらの樹脂の溶液物性とフィルムに成形したときの物性を測定した。その結果を表１に示す。ここで、引張強度と引張伸度のバランスにおいて、◎は全体として良好であり、○は充分効果が認められる程度、×はほとんど効果なしである。

表１から、第１のイソシアネートや第２のイソシアネートだけでは、柔らかすぎるか硬すぎることが分かる。また、第１のイソシアネートのイソシアネート含有量が多すぎても硬くなることが樹脂の比較例３から分かる。
また、樹脂の実施例においても、第１のイソシアネートと第２のイソシアネートの混合物のイソシアネート含有量が硬さに影響することが分かる。

このそれぞれの樹脂の例を、下記のように混合し、本発明舗装材の実施例及び比較例とした。
（１） 樹脂：１００重量部
（２） 骨材：５００重量部
ゴムタイヤの破砕品（0.5〜2.5mm）に炭カル粉末を樹脂を用いて接着したものを用いた。
（３） 硬化促進剤：１１重量部
第３アミン系硬化剤（５重量％）、酢酸エチル（９３重量％）、顔料（酸化鉄：２重量％）の混合物を用いた。
まず、樹脂と硬化促進剤とを混合したのち、これを骨材と攪拌混合した。これで舗装材の完成である。

この舗装材を、通常の透水性アスファルト舗装路（１３ｍｍトップ骨材）の表層骨材間隙に深さ約１５ｍｍまで 1.1 Kg／ｍ²の量で摺り込み舗装した。その後、ゴムローラで転圧し、骨材の結合を高める操作を行なった。これらの実施例と比較例の効果を表２に示す。

調合した実施例の舗装材の可使時間はすべて１５〜２０分であり、作業はゆっくり行なえた。塗工後３時間で樹脂が十分硬化し、その結果、車の通行が可能であった。
表２の強度と柔軟性のバランスは、舗装路としての強度を確保しつつ、柔軟性を充分有しているか否かで判断した。×は強度が不足するか、柔軟性が不足するかである。実施例においては、すべてバランスがよかった。

Claims (2)

1. 下記ａの１液湿気硬化型ウレタン組成物と骨材の混合物であり、該両者の混合物の硬化体が連続空隙を有し、該連続空隙の空隙率が１０〜４０容積％であり、該１液湿気硬化型ウレタン組成物の全イソシアネート基含有量が１０〜２５重量％であり、かつ該１液湿気硬化型ウレタン組成物の硬化物の引張強度が１５〜４０ＭＰａ、引張伸度が１０〜１００％であり、さらに、該骨材は弾性体を芯材とし、その周囲に粉体を固着したものであることを特徴とする舗装材、
   ａ イソシアネート基の含有量が２〜１２重量％である第１のイソシアネート化合物と、イソシアネート基の含有量が２５〜４０重量％である第２のイソシアネート化合物との混合物。
2. 請求項１記載の舗装材を、道路表面に存在する空隙に摺り切り充填することを特徴とする道路の舗装方法。