本研究では、バインダーの損傷力学と混合物の疲労性能を関連付ける堅牢なクロススケール・フレームワークを構築し、線形振幅掃引・簡略化粘弾性連続体損傷（LAS–S-VECD）パラメータが、耐久性のある温間混合アスファルトシステムの予測および設計のための、メカニズムに基づいた信頼性の高い根拠となることを実証した。
この記事について
サマリー
要約
疲労ひび割れはアスファルト舗装の長期的な耐久性を決定づける極めて重要な要因である一方で、温間混合アスファルト（WMA）におけるバインダーの疲労挙動と混合物の疲労性能との間のクロススケール関係については、いまだ十分に解明されていない。本研究では、定量的なクロススケール相関を確立するため、バインダーおよび混合物の両スケールにおいてWMAの疲労特性を体系的に調査した。異なる原油由来のアスファルトバインダーのレオロジー特性および損傷進展を特徴づけるため、動的せん断レオメータ（DSR）試験、および簡略化粘弾性連続体損傷（S-VECD）フレームワークを用いて解析した線形振幅スイープ（LAS）試験を実施した。混合物スケールの疲労性能は、ひずみ制御の4点曲げ疲労試験を用いて評価した。その結果、老化によってバインダーの剛性が著しく増大し、疲労劣化が加速することが示され、長期老化後の疲労因子 G*·sin δ は約150–250%増加した。バインダースケールにおける温間混合改質の有効性はバインダーに強く依存しており、バインダーAおよびBでは損傷速度係数が8–13%減少したのに対し、バインダーCでは約11%増加した。sin δ などの従来のレオロジー指標が混合物の疲労寿命を予測する能力は限定的であり、かつ材料に依存していたのに対し、LAS–S-VECDから導出された損傷パラメータは、混合物スケールの疲労性能と一貫して強い相関を示した。総じて、本研究はLAS–S-VECDに基づくバインダー損傷特性評価が混合物の疲労抵抗性を予測するための堅牢な根拠となることを実証しており、耐久性と持続可能性に優れたWMA舗装のための性能ベースの混合物設計への適用を支持するものである。
概要
従来ののアスファルト舗装工事は高温処理に依存しており、通常は160 °Cから180 °Cの範囲であり、ゴムアスファルトや高性能ポリマー改質ビチューメンなどの改質バインダーでは190 °Cを超える。鋼橋床版舗装を含む特殊な用途では、現場での混合物敷きならし温度が200 °Cを上回る場合がある1。これらの極端な熱条件は、大幅な化石燃料の消費をもたらし、温室効果ガスや、ベンゼン可溶性化合物および発がん性多環芳香族炭化水素（例：ベンゾ[a]ピレン）を豊富に含む有害なアスファルトヒュームを含む、重大な大気排出物を発生させる2,3。先行研究では、アスファルトの製造および転圧温度を下げることが、燃料消費量、CO₂排出量、およびアスファルトヒュームへの職業的曝露を低減できることが一貫して示されているが、これらのメリットの程度は、混合物の種類、プラントの構成、添加剤の投与量、および現場の施工条件に依存する。近年の研究により、さまざまな改質および使用条件下におけるアスファルトの性能に関する理解がさらに深まっている。アスファルト混合物にリグノスルホン酸カルシウムを導入することで、酸化反応を抑制し、アスファルトバインダーのコロイド構造を安定化させ、熱酸化老化を効果的に遅延させることができると報告されている。
破断挙動に関しては、純粋なモードIおよびモードIIの負荷条件下における加熱アスファルト混合物（HMA）および温間アスファルト混合物（WMA）の調査により、負荷モードが低温破断靭性とエネルギー散逸を制御する上で重要な役割を果たすことが示されている。また、ゴム改質アスファルトシステムにおける水感受性についても広く研究されており、再生ゴム材料が水分誘起損傷への耐性を向上させ、機械的評価と経済的評価を組み合わせた手法によって最適なゴム含有量を決定できることが明らかになっている。高温性能については、改質ストーンマトリックスアスファルト（SMA）を動的クリープ試験およびハンブルクホイールトラッキング装置試験を用いて評価し、混合物の改質がわだち掘れ耐性を大幅に向上させることが確認された。さらに、再生添加剤を配合したアスファルト混合物の半円形曲げ（SCB）試験に基づく研究では、モードI破断耐性と水分損傷耐性の著しい向上が示されており、再生材料が疲労特性と耐久性能に相乗的な効果をもたらすことが強調されている。その結果、低温アスファルト技術の開発は、持続可能な舗装建設および環境に配慮したインフラシステムへの重要な道として浮上している。
化学添加剤、有機ワックス、または発泡技術の導入によって実現される温間混合アスファルト（WMA）技術は、通常 90 °C から 130 °C の温度域で効率的な混合物の製造を可能にし、これは従来の加熱混合アスファルト（HMA）と比較して 30–50 °C の温度低減に相当します4。エネルギー需要と汚染物質排出の削減という十分に立証された利点に加え、WMA は製造および敷設時におけるアスファルトバインダーの熱酸化老化を軽減させる重要な役割を果たします。アスファルトの老化は温度依存的な化学動力学によって制御されており、酸化速度は温度が 10 °C 上昇するごとに約2倍になります5,6。高温状態は揮発、酸化、および重合反応を加速させ、マルテンを剛性の高いアスファルテンへと漸次的に変化させ、それによってバインダーの剛性を高める一方で延性を低下させます7。製造温度を下げることで、WMA はこれらの有害な反応を抑制し、バインダーの粘弾性を維持し、潜在的に長期的な疲労耐性を向上させます8。
WMAの環境面および施工面における利点は広く報告されていますが、老化条件下での疲労性能に関する系統的な調査は比較的限られています。特に、Karamay、offshore CNOOC、CNPCなどの異なる原油源に由来するアスファルトバインダーは、アスファルテン含有量、レジン分布、芳香族分、および飽和分を含む化学組成に顕著な差異を示します9。これらの組成の違いは、流動挙動、老化感受性、および疲労耐久性を決定付ける根本的な要因であると広く認識されています10。それにもかかわらず、既存の疲労研究において原油の起源に基づいてバインダーを区別することは稀であり、特に供用条件下を代表する累積的な老化において、原料依存の化学的性質がどのように疲労性能を支配しているかについての理解は不十分なままです11,12。工学的な視点からは、信頼性の高いバインダースケールの疲労評価法は、材料の予備的なスクリーニング、温間混合添加剤の選定、老化感受性の評価、および混合物レベルでの検証前の品質管理に特に有用であると考えられます。しかしながら、骨材粒度、空隙率、バインダーと骨材の相互作用、締固め品質、および現場での老化も舗装の疲労性能を左右するため、LAS–S-VECDを混合物疲労試験の完全な代替手段と見なすべきではありません。さらに、バインダースケールの疲労指標と混合物スケールの疲労挙動との関係は、多様なアスファルト源において決定的に確立されていません13。Linear Amplitude Sweep (LAS)などの流動試験はバインダーの疲労損傷を特性評価する上で有望であることが示されていますが、特に化学的起源が異なるバインダーにおける混合物の疲労寿命に対する予測信頼性は、十分に検証されていません14。この乖離により、研究室ベースの性能予測の精度が制限され、工学的実践における合理的な材料選定が困難になっています15。
これらの重大な欠陥に対処するため、本研究では3つの異なる原油源に由来する温間混合改質アスファルトバインダーの疲労挙動について、包括的なマルチスケール調査を実施します16。動的せん断レオメーター（DSR）解析、簡略化粘弾性連続体損傷（S-VECD）フレームワーク内での線形振幅掃引（LAS）試験、および混合物スケールの4点曲げ疲労試験を統合することで、原油の起源、温間混合改質、および老化が疲労耐性に及ぼす影響を体系的に評価します17,18,19。本知見は、バインダーのレオロジーと混合物の性能との間に堅牢なクロススケール相関を確立し、疲労寿命予測のメカニズム的な根拠を提供するとともに、持続可能なアスファルト材料の設計と選定のための実用的な指針を提供することを目的としています。
本研究では、バインダースケールのLAS–S-VECD解析と混合物スケールの4点曲げ疲労試験を統合することにより、温間混合アスファルトのクロススケール疲労特性評価フレームワークを提示します。バインダーレベルのレオロジー評価または混合物レベルの性能評価のいずれかのみに焦点を当ててきた従来の研究とは異なり、本研究では、原油に依存するバインダーの化学組成、温間混合改質、および老化条件下での混合物の疲労挙動の間の直接的な力学的関連性を構築しています。本研究の新規性は、(i) 疲労性能を決定付ける変数として原油の起源を明示的に組み込んだこと、(ii) LAS–S-VECDによる損傷進展と混合物の疲労寿命との間で体系的なクロススケール相関を導き出したこと、(iii) バインダーおよび混合物の両スケールにわたって温間混合改質効果を統一的に評価したこと、の3点にあります。その結果、LAS–S-VECDから導出された損傷パラメータが混合物の疲労性能の強力な予測因子となることが示され、従来のレオロジー指標よりも力学的な根拠に基づいた代替案を提供しています。これらの知見は、持続可能な温間混合アスファルトシステムの性能重視の評価および設計のための科学的根拠を確立するものです。
プロトコル
材料
表1にまとめる通り、本研究で選定した3種類のアスファルトバインダーは、異なる原油ソースに由来する代表的な舗装用バインダーであり、中国の実際の道路工学で広く使用されている。カラマイアスファルト、CNOOC 36-1アスファルト、および中国石油（PetroChina）アスファルトは、原油の起源、化学組成、老化感受性、およびレオロジー特性において著しく異なり、原油ソースに依存する疲労挙動を調査するための適切な材料的基礎を提供する。これらの選定により、バインダー固有の組成が温間混合改質の有効性および混合物スケールの疲労性能にどのように影響するかを比較評価することが可能となり、提案するクロススケール疲労特性評価フレームワークの工学的妥当性が高まる。各バインダーの詳細な地質学的起源および化学的特性は以下の通りである：
バインダーA：第9区の重質油原料から派生し、減圧残渣油と脱油アスファルトのブレンドプロセスによって製造される。その基材は、低パラフィン含有量（<2%）、極めて低い硫黄濃度、および高い樹脂組成を含む特有の性質を示す。特筆すべき点として、カラマイ・アスファルトは現在の工学的応用において比重が1 g/cm3未満である唯一の舗装用バインダーであり、優れた動粘度と、老化後も極めて良好な延性を保持する特性を持つ。これらの特性により、日較差が大きく、強力な紫外線にさらされる地域に特に適している。
バインダー B：水中36-1海域油田から抽出された希少な重質原油を原料とし、精製により56%という高いビチューメン収率を得ている。原料は、酸価が高く、硫黄分が少なくナフテン基を主成分とする重質原油に分類される。その結果、得られた処理済みバインダーは、高密度（1.012 g/cm3）でパラフィン含有量が低く（1.8%）、樹脂の比率が高いという特性を持つ。これらの特性により、本バインダーは優れた低温柔軟性を備えており、寒冷地での適用において有利である。
バインダーC：主にベネズエラのBoscan重質原油をベース原料として調製され、特殊な精製プロセスを通じて60%の製造収率を達成している。この原油は、高い酸含有量、顕著な重金属濃度、および強力な炭素残渣形成能などの、固有の地球化学的特徴を示す。このバインダーは、飽和炭化水素分が少なく、樹脂-アスファルテン複合体が豊富で、パラフィン含有量が極めて低い（1.3%）という、非典型的な炭化水素組成を特徴とする。
本研究において、3種類のベースアスファルトバインダーをAO（克拉瑪依）、BO（CNOOC 36-1）、CO（中国石油）と定義した。対応するWMAバインダーは、Evotherm M1添加剤を配合して作製し、それぞれAP、BP、CPとコード化した20。針入度、軟化点、延性を含む総合的な性能指標をJTG E20-20121の仕様に従って試験し、詳細な比較データを表1に示した。すべての実験手順は、「高速道路エンジニアリング用アスファルトおよびビットメン混合物技術仕様書」に概説されている標準プロトコルに厳格に従った。
| プロジェクト | ユニット | 克拉玛依 | 中国海洋石油有限公司 | CNPC |
| 浸透 | 0.1 mm (15 °C) | 22 | 22 | 24 |
| 0.1 mm (25 °C) | 72 | 68 | 71 | |
| 0.1 mm (30 °C) | 112 | 110 | 116 | |
| 主研究者 | － | -1.14 | -1.2 | -0.81 |
| TR&B | °C | 46 | 46.5 | 47.5 |
| 動粘度（60 °C) | Pa·s | 223.5 | 230 | 256.9 |
| 延性（10 °C, 5 cm/min) | cm | >100 | >100 | 52 |
| ワックス含有量 | % | 1.9 | 1.8 | 1.3 |
| 引火点（COC法） | ℃ | 278 | 287 | 312 |
| 溶解度 | % | 99.5 | 99.7 | 99.8 |
| 密度 (15 °C) | g/cm³ | 0.977 | 1.012 | 1.049 |
| RTFOT | 品質変化（%） | 0.05 | 0.06 | -0.07 |
| 残留貫入比 (%) | 66.2 | 67.4 | 64.8 | |
| 残留延性 (10 °C,cm) | 13 | 12 | 9 |
表1：ビットマスバインダーの主要な技術的パラメータ。表1は、ビットマスバインダーの基本特性と耐久性を評価するための、物理的特性、温度感受性、レオロジー特性、および短期老化性能を含む主要な技術的パラメータをまとめたものである。
WMAの調製プロセスでは、バインダー改質の再現性を確保するために、厳密に制御された多段階プロトコルが採用されました。まず、ベースとなるアスファルトバインダーを強制対流オーブンにて135 ± 2 °Cで60分間加熱し、安定した溶融状態にした後、温度勾配を解消するために30分間の平衡化を行いました。すべての加熱工程は、温度調整中の酸化老化を最小限に抑えるため、窒素保護（流量：0.5 L/min）を施した密閉容器内で行われました。
次に、高せん断処理の前に、30 rpmでの連続的な機械的撹拌下で135 ± 2 °CにてEvotherm M1添加剤を5分間混入し、界面活性剤相の初期分散を確実にした。続いて、外部オイルバス温度制御システム（精度±1 °C）を用いてバインダー温度を135–140 °Cに維持しながら、ローター・ステーターホモジナイザーを用いて30 rpmで25分間高せん断混合を行った。混合プロセス全体を通じて、バインダーマトリックスに挿入した校正済みK型熱電対を用いて温度を継続的に監視し、±2 °Cを超える変動があった場合は自動的に加熱調整が行われるようにした。その後、改質バインダーを5 °C/minで25 °Cまで制御冷却し、以降の試験または短期間の保存に供した。せん断プロトコルの設計は、アスファルトバインダーの粘度-温度関係に従い、すべての試料が同等のせん断履歴条件下で調製されるようにした。この厳格な熱的・機械的制御により、高い再現性が保証され、WMAバインダー調製におけるばらつきが最小限に抑えられる。
動的せん断レオメータ（DSR）試験
温間混合添加剤で改質したアスファルトバインダーのレオロジー応答および疲労関連特性を評価するため、ASTM D717522に従い、温度制御回転レオメータを用いて動的せん断レオメータ（DSR）試験を実施した。レオロジー評価では、アスファルト舗装におけるひび割れの発生および進展に密接に関連する、中間温度域での疲労挙動に重点を置いた。
バインダーレベルでの疲労感受性の指標として広く認められている疲労因子 G*sin δ23を採用し、温間混合改質および老化によって誘発される粘弾性散逸挙動の変化を定量化した。温度スイープ試験は、58–82 °Cの範囲で、6 °C刻みの温度増分で行った。各目標温度において、熱的安定性を確保するため、データ取得前に試験片を10 min間平衡化させた。老化がレオロジー特性に及ぼす影響を調べるため、バインダー試験片を、未老化、回転薄膜加熱試験（RTFOT）老化、およびRTFOTと加圧老化容器（PAV）老化の組み合わせ24の3つの老化条件に供した。これらの老化プロトコルは、製造および敷設時の短期老化、ならびに舗装供用中の長期老化をシミュレートするように設計された。温度および老化条件に伴う G*sin δ の変化を分析し、異なるバインダーの疲労抵抗性を評価した。
各DSR試験の前に、エッジプロファイルを均一にするため、パラレルプレート間にロードした後のバインダー供試体を慎重にトリミングした。供試体は、測定前に目標温度で10 minコンディショニングを行った。試験は58–82 °Cの範囲で、6 °C刻みで実施した。測定されたトルクと変位が装置の推奨動作範囲内にあり、供試体の目視可能な滑りが発生しなかった場合に、有効な試験であると確認した。
線形振幅スイープ（LAS）試験
粘弾性挙動の特性評価は、動的機械分析に関するASTM D7175規格に従って実施した25。実験手法として、まず線形粘弾性境界を確定させるためのひずみ振幅スイープを行い、続いて10 rad/sでの周波数制御試験を実施した26。温度依存性の評価は、アスファルト舗装の運用温度範囲（58–82°C）をカバーするように、6°C刻みで実施し、各等温セグメントにおいて熱平衡に達するまで10分間待機した。バインダーの損傷蓄積量を散逸エネルギーの推移を通じて定量化するため、AASHTO T391プロトコルを採用し、特に繰返し荷重中の粘弾性散逸係数（|G*|sin δ）をモニタリングした27,28。また、ビットーム系複合材料の劣化パターンの予測には、簡略化粘弾性連続体損傷（S-VECD）モデルを採用した29。LASプロトコルでは、10 Hzの固定周波数で振動振幅スイープを実行し、0.1%から30%まで0.1%刻みの分解能で制御されたひずみ漸増を適用する。
主要な粘弾性パラメータは、以下の式を用いて導出されました：
log G "(ω) = m (log ω) + b (1)
G'(ω) = G* (ω) × cosδ (ω) (2)
(3)
ここで、 G''(ω)は損失弾性率、 ω は角周波数、 m および b はフィッティング係数、 G'(ω) は貯蔵弾性率、 G*(ω) は複素弾性率、δ(ω)は位相角であり、粘弾性指数である。
損傷の定量化には、式(4)で表される基本関係を用いました：
(4)
数式において：C(t)は完全性パラメータであり、C(t)=G^* (t)/G^* (Initial)、G^*は複素弾性率 (MPa) を表します。
γ_0—印加歪み (%);
t—試験時間 (s)
損傷指標 D(t) および構造的完全性係数 C(t) の時間的進展は、べき乗則の構成関係（Yuan 2024）を通じて数学的にパラメータ化される：
C(t) = C0 - C1 × DC2 (5)
数式において：C0は初期整合性パラメータ（通常は1に等しい）を表し、C1およびC2はフィッティングパラメータである。
せん断応力のピークポイントの概念を用いて、疲労損傷値を算出します：
(6)
Cpeakは、最大せん断応力点に対応する完全性パラメータです。
疲労寿命の計算式は以下の通りです：
Nf = A(γmax)-B (7)
公式において：A、B—疲労関連係数
A = f × (Df)[1 + (1 - C2 )a] / {[1 + (1 - C2 )a] × (πC1 C2 )a} (8)
B=2a, f-負荷周波数;
γmax — 期待される最大歪みレベル (%)
実験結果の信頼性と再現性を確保するため、すべてのバインダースケールおよび混合物スケールの試験は、条件ごとに少なくとも3回の独立した繰り返し（n = 3）で実施した。報告された結果は、繰り返し測定の平均値を示している。実験データのばらつきは標準偏差（SD）を用いて評価し、統計的な分散を反映させるため、すべての関連図にエラーバーを付記した。LAS–S-VECDパラメータ、DSRレオロジー指標、および4点曲げ試験による疲労寿命については、データの整合性を評価するために変動係数（COV）をさらに算出した。
すべての場合において、改質したバインダーと未改質のバインダーの間の統計的な差を検討し、観察された傾向が実験的なばらつきによるものではなく、疲労特性およびレオロジー挙動における統計的に有意な差であることを確認しました。
4点曲げ疲労試験
バインダーレベルの疲労指標を検証し、スケールを跨いだ相関関係を確立するため、AC-16C級配を用いて作製したアスファルト混合物に対して4点曲げ疲労試験を実施した30,31。各粗骨材の級配、かさ密度、かさ比重、吸水率、および石粉の特性を表2にまとめる。異なるWMA配合間での一貫性を確保するため、すべての混合物のアスファルト含有量は4.8%に固定した。
| ふるい目サイズ (mm) | 集計カテゴリー | 合成グレード (%) | ||||
| 1# (10〜20mm, 29%) | 2# (5～10mm. 29.2%) | 3# (3~5mm, 17%) | 4# (0~3mm. 19%) | 鉱物粉末 (5.8%) | ||
| 0.075 | 0 | 0.1 | 0 | 0.9 | 90.8 | 5.5 |
| 0.15 | 0.1 | 0.1 | 0 | 4.9 | 95.3 | 6.5 |
| 0.3 | 0.1 | 0.2 | 0 | 13 | 98.7 | 8.3 |
| 0.6 | 0.1 | 0.2 | 0 | 25.2 | 99.7 | 10.6 |
| 1.18 | 0.1 | 0.2 | 0 | 47.8 | 100 | 15 |
| 2.36 | 0.1 | 0.5 | 0 | 100 | 100 | 25 |
| 4.75 | 0.8 | 15.5 | 98.9 | 100 | 100 | 46.4 |
| 9.5 | 15.2 | 99.5 | 100 | 100 | 100 | 75.2 |
| 13.2 | 68.4 | 99.8 | 100 | 100 | 100 | 90.8 |
| 16 | 94.8 | 100 | 100 | 100 | 100 | 98.5 |
| 19 | 100 | 100 | 100 | 100 | 100 | 100 |
| 見掛け相対密度 | 2.899 | 2.918 | 2.845 | 2.754 | 2.872 | 2.865 |
| 飽和表面乾燥状態（SSD）相対密度 | 2.854 | 2.847 | 2.816 | 2.691 | － | 2.814 |
| かさ比重 | 2.829 | 2.81 | 2.8 | 2.655 | － | 2.787 |
| 骨材吸水率 (%) | 0.85 | 1.32 | 0.56 | 1.36 | － | － |
表2：温間アスファルト混合物における骨材の粒度。表2は、異なる骨材分画の割合、鉱粉量、合成粒度曲線、および骨材の物理的特性を含む、温間アスファルト混合物の骨材粒度を示している。本表は、設計された粒度分布およびアスファルト混合物に使用された骨材の基本特性を提示している。
温間ミックスアスファルト（WMA）混合物の疲労耐久性を評価するため、ひずみ制御荷重条件下でCooper試験機を用いた4点曲げ疲労試験を実施した32。破壊基準は、曲げ剛性が初期値の50%まで低下するまでに要した載荷サイクル数と定義した。確立された試験プロトコル3に従い、15 °Cの等温条件下で、周波数10 Hzの連続正弦波として繰返し荷重を印加した。疲労載荷中のエネルギー入力に中断がないようにするため、すべての試験は休止時間を設けずに実施した34,35。
試験片（ビーム specimen）は標準的な寸法要件に従って作製し、長さ 381 ± 6.35 mm、幅 63.5 ± 6.35 mm、高さ 50.8 ± 6.35 mm とした3637。ひずみ制御条件下において、異なるWMA配合の試験片について疲労特性曲線を両対数座標系にプロットし、疲労性能を評価した38。その後、べき乗則に基づく構成関係を確立し、非線形回帰分析を用いて各種アスファルト混合物の疲労データをフィッティングさせ、これにより後続の疲労寿命モデリングおよび比較分析の基礎とした39,40,41。ビーム試験片を4点曲げ治具に対称的に装着し、載荷前に載荷クランプと試験片表面の接触状態を確認した。試験は 15 °C で、休止時間を設けず、10 Hz のひずみ制御正弦波載荷にて実施した。試験の終点は、曲げ剛性が初期値の 50% まで低下した際の繰返し回数と定義した。破断が標点間で発生し、かつ異常なクランプの滑りや突然の非疲労破断が観察されなかった場合に、試験を有効とした。すべての定量データは平均値 ± 標準偏差（mean ± SD）として示し、特に断りのない限り、すべての実験群のサンプルサイズを n = 3 とした。
結果
WMAのレオロジー特性
アスファルトと骨材の界面領域は、疲労ひび割れの主な起点として広く認識されています。したがって、疲労に関連するレオロジーパラメータは G*sin δの中間供用温度で測定し、温間合材（WMA）バインダーの疲労性能を評価するために用いた。 図1 〜の変動を示す G*sin δ アスファルトA、アスファルトB、およびアスファルトCの、オリジナルおよび温合材改良バインダーについて。すべての定量的な結果は、3回の繰り返し測定に基づく平均値 ± 標準偏差（SD）として表記されている（n = 3). 同温におけるオリジナルバインダーと温間混合改質バインダーとの統計的比較は、独立標本t検定を用いて行い、有意水準を（p < 0.05と）した。 p < 0.05。～に示されている通り、 図1, G*sin δ すべての asphalt binder において、温度の上昇に伴い連続的に減少しており、これは中温域が高くなるにつれて疲労関連剛性が低下することを示している。Asphalt A の場合、AP は著しく高い G*sin δ 16～25 °Cの試験温度範囲において、AOよりも高い値（p = 0.025（範囲：0.018–0.032）であり、7685 ± 126 kPaから2480 ± 84 kPaへと減少した。一方、AOは580 ± 12 kPaから1535 ± 76 kPaへと減少した。同様に、BPは有意に高い Gsin δ 値は、BOが2から28のときよりも（p = 0.021（範囲：0.01–0.027））であり、BPは7980 ± 138から3985 ± 105 kPaに、BOは6120 ± 120から1725 ± 82 kPaに減少した。これらの結果は、温間混和添加剤がアスファルトAおよびBの疲労係数を増大させ、その結果、粘性エネルギー散逸が大きくなり、バインダーレベルで疲労感受性が高まる可能性があることを示唆している。対照的に、アスファルトCではCOとCPの差はわずかであり、同一温度においてCPがCOをわずかに上回っているものの、ほとんどの温度においてその差は統計的に有意ではなかった（p = 0.086–0.214）。具体的には、CPは13.420 ± 185から420 ± 96 kPaに、COは13.080 ± 172から4350 ± 91 kPaに減少しており、このことは、温間混合添加剤がアスファルトCの疲労関連レオロジー挙動に与える影響が限定的であることを示している。全体として、3つのバインダーは温間混合改質に対して異なる反応を示しており、疲労性能にアスファルトの供給源が影響することを反映している。アスファルトAおよびBは温間混合添加剤に対する感受性が高い一方、アスファルトCは改質後も比較的安定した疲労抵抗性を維持している。
対照的に、Asphalt Cは温間混合改質後にG*sin δに有意な変化を示さず、温間混合添加剤がその疲労関連のレオロジー特性に及ぼす影響が限定的であることが示されました。この観察結果は、Asphalt Cの固有の化学組成が粘弾性応答を支配しており、その結果、疲労関連パラメータの添加剤改質に対する感受性が低下していることを示唆しています。これらの結果は、温間混合改質効果が原油源に依存する性質を持つことを強調しています。温度スイープの結果からは、試験したすべてのバインダーにおいて一貫したレオロジー的傾向が明らかになりました。温度が上昇すると、わだち掘れ係数G*/sin δは連続的に減少し、一方で位相角δは緩やかに増加し、粘性支配の挙動へと漸進的に移行することが示されました。温度の上昇はバインダー内の分子運動を激化させ、弾性構造を弱め、変形に対する抵抗力を低下させます。逆に、老化の程度が増すとG*/sin δの値が高くなり、位相角が低下しますが、これは老化による硬化に起因して剛性と弾性応答が強化されたことを反映しています。
図1温度の関数として表した、異なるアスファルトバインダーの疲労係数 (G*sin δ)。 (A) アスファルトA（カラマイ）；(B) アスファルト B (CNOOC 36-1); (C) アスファルトC（PetroChina/ベネズエラ・Boscan）。AO、BO、COは元のアスファルトバインダーを示し、AP、BP、CPはそれぞれ対応する温間混合アスファルトバインダーを示す。すべてのバインダーにおいて、温度の上昇に伴いG*sin δは減少するが、温間混合改質の及ぼす影響はバインダーの供給源によって異なる。 こちらの図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。
これらのレオロジー特性の変化は、熱酸化老化に伴うアスファルトバインダーの組成変化に起因すると考えられます。低分子成分が酸化および重合反応を通じて徐々に高分子構造へと変化し、複素弾性率 G* が上昇します。同時に、極性酸化生成物の蓄積によって弾性エネルギー貯蔵能が高まり、それが位相角の減少として現れます。老化が進むにつれて、バインダーは温度変化に対してより敏感になり、疲労に関連するレオロジーパラメータの温度依存性がより顕著になります。
全体として、これらの結果は、温間混合改質がバインダーの疲労関連レオロジー特性に及ぼす影響が、原油の起源に強く依存していることを示している。温間混合添加剤は特定のバインダーの粘弾性散逸挙動を変化させるが、その有効性はベースアスファルト固有の組成および老化特性によって制限される。これらの知見は、DSRベースの疲労係数を解釈し、温間混合アスファルトバインダーの疲労性能を評価する際に、原油源特有の性質を考慮する必要があることを強調している。老化に伴うG・sinδの増加は δ は、〜にまとめられた未処理のDSRデータを用いて定量化した。 図1. 百分率変化は、対応する非老化バインダーの状態に対する相対値として算出した。
線形振幅スイープ
S-VECDフレームワークから得られた主要パラメータを表3にまとめる。完全性指数Cは、周期的な機械的負荷によるアスファルトバインダーの漸進的な劣化を定量的に特徴づけるものであり、C = 1は損傷のない初期状態を、C = 0は完全な構造破壊に対応する。さらに、回帰係数C₁およびC₂は、損傷の進行に伴う材料の完全性の変化を記述する。C₁およびC₂の値が低いほど、同等の損傷レベルにおける構造安定性が向上していることを示しており、これはバインダースケールにおける疲労耐性の向上に直接的に関連している。表3に示すように、一般に老化が進むとC₁が増加しC₂が減少し、バインダーの完全性の推移と疲労耐性が悪化することが示唆される。Karamayアスファルトは、C₁が最も低くC₂が比較的高い値を示し、損傷蓄積に対して最高の耐性を持つ一方で、CNPCアスファルトは逆の傾向を示し、疲労性能が低いことがわかる。
| アスファルトの種類 | α | C₀ | C₁ | C₂ | A | B |
| 克拉玛依 | 1448855 | 1 | 0.0144 | 0.7346 | 2.93 × 10⁵ | 2.90 × 10⁶ |
| 熟成カラマイ | 1434103 | 1 | 0.0132 | 0.7412 | 3.0 × 10⁵ | 2.87 × 10⁶ |
| CNOOC | 1415228 | 1 | 0.0178 | 0.7112 | 2.25 × 10⁵ | 2.83 × 10⁶ |
| 高齢のCNOOC | 1400364 | 1 | 0.0155 | 0.7349 | 2.28 × 10⁵ | 2.80 × 10⁶ |
| CNPC | 1537043 | 1 | 0.0335 | 0.6077 | 4.38 × 10⁵ | 3.07 × 10⁶ |
| 高齢CNPC | 1500600 | 1 | 0.0371 | 0.5822 | 4.41 × 10⁵ | 3.0 × 10⁶ |
表3：VECD法の関連パラメータ。表3は、未老化および老化条件下における3種類のアスファルトバインダーについて、適合させたモデルパラメータをまとめたものである。パラメータの変動は、アスファルトの種類および老化がモデル特性に及ぼす影響を反映している。
図2 従来条件および温混合改質条件における、異なるアスファルトバインダーの損傷進展曲線を示しています。同一の応力レベルにおいて、温混合アスファルト（WMA）系は従来の系よりも損傷蓄積速度が顕著に低く、より良好な損傷進展を示しています。この挙動は、温混合改質が繰返し荷重中の内部エネルギー散逸メカニズムを最適化し、それによって疲労耐性を向上させていることを示唆しています。損傷速度係数の変化率は、以下に挙げるフィッティングされたS-VECDパラメータから算出されました。 表3 未修飾のバインダーをリファレンス条件として使用する。
図2: アスファルトバインダー配合における疲労耐性特性 (A) アスファルトA； (B）アスファルトB；（C) アスファルト C。AO、BO、および CO は元のアスファルト試料を表し、AP、BP、および CP はそれぞれ対応する温間混合アスファルト試料を示す。 この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。
損傷進展プロファイルを詳細に検討した結果、バインダーに依存した顕著な差異が明らかになりました。温合 смесь（ウォームミックス）改質アスファルトAは、損傷進展曲線の位置がより良好であることから、未改質バインダーと比較して優れた耐疲労性を示しています。この結果は、ウォームミックス添加剤が繰り返し荷重下におけるアスファルトAの耐久性を効果的に向上させることを裏付けています。対照的に、アスファルトBではウォームミックス改質による反応はほとんど見られず、改質バインダーと未改質バインダーのいずれもほぼ同一の損傷進展軌跡を辿っています。アスファルトCについては、閾値依存的な改善が観察されました。ウォームミックス改質バインダーがベースアスファルトを上回るのは、損傷変数が10ユニットを超えた場合のみであり、添加剤の効果は主に損傷が進展した段階で活性化されることを示しています。
LAS試験から得られた疲労寿命の定量的比較を図3に示す。疲労性能に観察された変動は、温間混合添加剤とバインダーの相互作用が材料依存的であることをさらに浮き彫りにしており、その有効性はベースアスファルト固有の組成特性に強く支配されている。調査した材料の中では、秦皇島中石油（Qinhuangdao PetroChina）アスファルトが最も高い耐疲労性を示しており、これはそのベース原料組成に関連する固有の利点を反映している。対照的に、カラマイ（Karamay）アスファルトは温間混合改質後の改善が最も顕著であり、温間混合添加剤の性能向上ポテンシャルを決定する上でベースアスファルトの特性が極めて重要な役割を果たすことを強調している。
図33種類の アスファルトバインダーにおける、加熱混合アスファルト（HMA）と温間混合アスファルト（WMA）の疲労寿命の比較。 3種類すべてのバインダーにおいて、WMAとHMAの疲労寿命に大きな差は認められなかった。疲労寿命はAsphalt Cが最も高く、次いでAsphalt A、Asphalt Bの順であった。全体として、温間混合法による改良が疲労寿命に及ぼす影響はわずかであり、その変化の程度と方向性はバインダーの種類に依存することが結果から示された。 この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。
一般的に、温間混合（warm-mix）による改良で疲労性能は向上したが、一部のバインダーにおける改善の程度は比較的わずかであった。この挙動は、Evotherm M1のメカニズムに起因すると考えられる。Evotherm M1は主に製造温度を低下させ、短期間の酸化老化を抑制するものであり、バインダー構造を化学的に強化するものではないためである。したがって、疲労性能の向上は緩やかであり、ベースとなるアスファルトの固有の特性に強く依存することが予想される。繰り返し測定における一貫性は、改善の程度が限定的であるものの、観察された傾向が再現可能であることを示している。観察されたバインダー依存的な疲労挙動を化学的な観点からさらに解釈するため、原油組成がS-VECDパラメータおよび疲労性能に及ぼす影響を分析した。3つのバインダーはそれぞれ異なる組成特性を示しており、一般的に芳香族対飽和成分比が高いほど、応力再分配が改善され損傷の蓄積が遅延し、一方でアスファルテンを多く含む系では剛性の増加が加速し、疲労耐性が低下する傾向にある。
本研究において、Karamay産アスファルトは芳香族分画が比較的高く飽和成分が少ない傾向にあり、これは損傷進展速度の低下（C₁値の減少）およびLAS試験と混合物スケール試験の両方における疲労寿命の向上に対応している。対照的に、PetroChina製バインダーはよりバランスが取れているものの飽和成分の割合が相対的に高く、中程度のS-VECD損傷蓄積挙動を示す。原油の特性から推測される極性関連分画が高いCNOOC製アスファルトは、繰返し荷重下でより急速な剛性の増加を示し、それがC₁値の上昇と疲労寿命の短縮に反映されている。これらの結果は、芳香族と飽和成分のバランスが粘弾性エネルギー散逸経路と微視的構造の損傷進展を支配し、それによってS-VECDパラメータと疲労耐性に直接的な影響を与えることを示唆している。全体として、今回の結果は、あらゆるアスファルトシステムに完全に適用可能な予測モデルではなく、メカニズムに基づいた境界条件付きの枠組みとして捉えられるべきである。
混合物レベルの疲労耐性
異なる温間アスファルト（WMA）技術を導入したアスファルト混合物の疲労耐性を系統的に評価し、対応する疲労試験の結果を表4にまとめた。これらのデータは、繰り返し荷重下におけるアスファルト混合物の耐久性を定量化したものであり、調査したWMA配合間で疲労寿命に明確な差があることを示している。観察された変動性は、混合物レベルの疲労性能が材料組成および温間技術に強く依存していることを示唆している。
| アスファルトの種類 | サンプルID | 空隙率 (%) | ひずみレベル（με) | 疲労寿命（サイクル数） |
| 克拉玛依 | 1 | 4.5 | 100 | 22,36,902 |
| 2 | 4.3 | 100 | 18,30,625 | |
| 3 | 3.7 | 100 | 19,49,138 | |
| 4 | 4.5 | 150 | 3,06,655 | |
| 5 | 5.3 | 150 | 3,97,762 | |
| 6 | 4.9 | 150 | 2,98,042 | |
| 中国海洋石油集团 | 1 | 4.2 | 200 | 52,315 |
| 2 | 5.1 | 200 | 58,828 | |
| 3 | 5.3 | 200 | 67,762 | |
| 4 | 3.8 | 75 | 6,47,145 | |
| 5 | 4.3 | 75 | 5,63,675 | |
| 6 | 4.5 | 75 | 6,91,698 | |
| CNPC（中国石油天然气公司） | 1 | 3.6 | 100 | 47,343 |
| 2 | 4.1 | 100 | 24,149 | |
| 3 | 4.7 | 100 | 18,495 | |
| 4 | 3.5 | 200 | 4,412 | |
| 5 | 4.1 | 200 | 2,269 | |
| 6 | 4.7 | 200 | 3,299 |
表4：異なるWMAを用いたアスファルト混合物の疲労試験結果 表4は、さまざまな試験条件下における疲労寿命および関連する性能パラメータを含む、異なる温間合材技術を用いたアスファルト混合物の疲労試験結果をまとめたものである。これらの結果は、温間合材アスファルト混合物間の疲労耐性の差を示しており、その疲労性能を評価するための根拠となる。
ビットゥムス複合材料の疲労性能は式(9)を用いて数学的にモデル化され、これにより舗装材料における繰返し応力劣化が定量化されます。この関係式は、繰返し荷重条件下におけるアスファルト配合の疲労応答を定式化したものであり、耐久性解析のための計算フレームワークとして機能します。
(9)
公式において：Nf——アスファルト混合物の疲労寿命；
ε——歪み；
k, n——係数。
式(9)に基づき、各アスファルト混合物に対して回帰分析を行い、対応する疲労モデルパラメータを校正した。得られた係数kおよびnは、混合物固有の疲労劣化特性を定量的に示しており、異なるWMA配合間での疲労性能の直接的な比較を可能にする。校正された疲労方程式のパラメータを表5にまとめる。
| アスファルトの種類 | 疲労方程式 | k | n | R2 |
| A | y = 2.463 × 1016x−5.029 | 2.463 × 1016 | 5.029 | 0.93 |
| B | y = 1.713 × 1015x−5.120 | 1.713 × 1015 | 5.12 | 0.965 |
| C | y = 1.233 × 1019x−5.975 | 1.23 × 1019 | 5.975 | 0.964 |
表5：異なるWMAを用いたアスファルト混合物の疲労方程式パラメータ 表5は、回帰係数および疲労寿命と載荷条件の関係を記述するために使用されるモデルパラメータを含む、異なる温間混合技術を用いたアスファルト混合物の疲労方程式パラメータをまとめたものである。これらのパラメータは、疲労性能の予測および異なる温間混合アスファルト混合物の耐疲労性の比較のための定量的な根拠となる。
図4は、適合させた疲労モデルに基づいた、異なるWMAタイプの アスファルト混合物の疲労寿命-ひずみ関係を示しています。予想通り、すべての混合物の疲労寿命はひずみ振幅の増加に伴い系統的に減少しており、これはビットミン系複合材の古典的な疲労挙動と一致しています。疲労曲線の比較分析により、混合物の耐疲労性に明確な階層があることが明らかになり、総合的な性能順位は材料C > 材料A > 材料Bと決定されました。この順位は、破壊に至るまでに繰り返し荷重サイクルに耐える各混合物の相対的な能力を反映しており、表5にまとめられた回帰パラメータと一致しています。
図4: 異なる温合型を用いたアスファルト混合物の疲労パターン。 図4に示すように、すべてののアスファルト混合物の疲労寿命は、ひずみレベルの増加に伴い低下した。3種類の温間混合アスファルト混合物のうち、混合物Cが最も高い耐疲労性を示し、次いで混合物AおよびBの順であった。混合物Cの疲労寿命が有意に高いことは、この温間混合技術がアスファルト混合物の疲労損傷累積に対する抵抗性を効果的に向上させることを示している。 この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。
同等の空隙条件下において、WMA技術は製造および転圧温度を約 20–30 °C 低減させることで、疲労性能に顕著な利点をもたらします。この温度低下により、長期的な脆化の主因となるアスファルトバインダーの短期的酸化老化が抑制されます。WMAはバインダーの粘弾性と応力分散能を維持することで、繰り返し荷重下でのマイクロクラックの発生と進展を抑制します。その結果、累積疲労損傷が軽減され、混合物の疲労寿命が延び、舗装の耐久性が向上します。これらの利点は、供用期間の延長、メンテナンス需要の削減、そしてより耐久性が高くコスト効率の良い舗装インフラの開発を実現する上で極めて重要です。バインダースケールと混合物スケールの疲労挙動の整合性を検討するため、図 5 に示すように、バインダー疲労係数 G*sin δ と混合物疲労寿命 Nf の相関を分析しました。すべてのバインダーにおいて統計的に有意な関係が観察され、バインダーのレオロジー特性が混合物の疲労性能に測定可能な影響を及ぼしていることが示されました。特に、バインダーBは極めて強い相関（R2 = 0.99, p < 0.001）を示しており、この材料において G*sin δ が混合物疲労寿命の信頼できる予測因子となることが示唆されました。対照的に、バインダーAおよびCは比較的弱い相関（R2 = 0.6051 および 0.793）を示しており、これらの系ではバインダーのレオロジーのみでは混合物の疲労挙動を完全に把握できないことを意味しています。
図5: アスファルト疲労係数の相関 G*sin δ および混合疲労寿命 Nf. (A) アスファルトA；(B) アスファルトB; (C）アスファルトC。図5は、$G^*\sin\delta$が混合物の疲労寿命と正の相関を示すことを示しており、アスファルトBが最も高い整合性を示し、次いでアスファルトC、Aの順であった。 この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。
LAS試験から得られ、簡略化粘弾性連続体損傷（S-VECD）フレームワークを用いて解釈されたバインダー損傷進展パラメータを、混合物の疲労寿命と相関させることで、さらなるクロススケール検証が行われました。図6に示すように、段階的なバインダー劣化と混合物の疲労性能との間に強い線形相関が認められます。3種類すべてのバインダーにおいて相関係数が0.9を超えており、バインダーレベルの損傷特性と混合物スケールの耐疲労性の間に、強固で一貫した関連性があることが示されました。
図6: アスファルトの疲労損傷と混合物の疲労寿命との相関関係 Nf. (A) アスファルトA；（B) アスファルトB；(C) アスファルトC。図6に示すように、アスファルトの疲労損傷は、アスファルト混合物の疲労寿命Nfと強い正の相関を示した。アスファルトA、BおよびCにおいて高い決定係数が得られたことから、疲労損傷パラメータがアスファルト混合物の疲労性能を効果的に特性化できることが示された。従来のバインダー疲労係数G∗sinδと比較して、疲労損傷はアスファルト混合物の疲労劣化挙動をより直接的に表現している。 こちらの図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。
全体として、混合物スケールの疲労試験の結果は、疲労性能が混合物の組成、温間合材技術、およびバインダー特性によって共同的に支配されていることを裏付けています。従来のレオロジー指標では特定のバインダーに対する予測能力が限定的である一方、LAS–S-VECDに基づく損傷指標は、混合物の疲労寿命と強く一貫した相関を示しています。これらの知見は、バインダースケールの損傷評価が混合物の耐久性を評価するための有効な代替手段であることを検証し、性能ベースの舗装設計にメカニズム的な根拠を与えるものです。3種類の asfalt バインダーが温間合材改質に対して示した明確に異なる応答は、根本的に、原油由来の化学組成およびそれに伴うコロイド構造の変動に起因すると考えられます。アスファルトバインダーは通常、芳香族、樹脂、飽和成分からなるマルテン相にアスファルテンが分散したコロイド系であると考えられています。これらの分画間のバランスが、温間合材添加剤などの外部改質剤に対するバインダーの感受性を決定します。カラマイアスファルト（バインダーA）の場合、樹脂含有量が比較的高くパラフィン分画が低いため、アスファルテンネットワークがより分散し、内部構造の安定性が低くなります。この系において温間合材添加剤を導入すると、粘度と分子可動性が著しく変化し、その結果、エネルギー散逸が促進され G*sin δ 値が増加します。これは、添加剤が内部相の相互作用を積極的に変化させ、バインダーを繰り返し変形に対してより敏感にし、その結果、バインダースケールでの疲労損傷の蓄積を加速させることを示しています。
対照的に、CNOOC由来のアスファルト（Binder B）は、よりバランスの取れたナフテンベースの組成と安定したコロイド構造を示します。このバインダーにおけるアスファルテンとレジンの平衡状態は、比較的強固な内部ネットワークを形成しており、これが温間混合添加剤の浸透および構造的な影響を制限しています。その結果、レオロジー特性および損傷進展挙動の変化は最小限であり、添加剤の効果がバインダーの微視的構造が持つ固有の安定性によって大幅に制約されていることが示唆されます。PetroChina由来のアスファルト（Binder C）では、極性関連分画が高く、アスファルテンの複雑さが増しているため、より剛性が高く凝集しやすい微視的構造となっています。この場合、温間混合添加剤は閾値依存的な活性化挙動を示すと考えられ、相当量の損傷が蓄積した後にのみ、その影響が顕著になります。これは、添加剤が初期のコロイド構造とは強く相互作用せず、むしろ応力再分配経路を変化させることで、後期の損傷進展プロセスに影響を及ぼすことを示唆しています。
全体として、これらの結果は、温間混合改質（warm-mix modification）の有効性が普遍的なものではなく、ベースとなるアスファルト固有のコロイド安定性と化学組成に強く依存していることを示しています。したがって、S-VECD損傷の進展および混合物の疲労性能に認められた差異は、3種類のバインダーの微視的構造の不均一性に直接的に結びついており、レオロジー試験および疲労試験の両方で観察された原油源に依存する挙動に対し、メカニズムに基づいた説明を与えるものとなります。
データの利用可能性：
本研究で生成または使用されたすべてのデータ、モデル、およびコードは、「Raw data」という名称の補足フォルダで入手可能です。
ディスカッション
本研究では、バインダーレベルの線形振幅掃引（LAS）試験を簡略化粘弾性連続体損傷（S-VECD）モデルおよび混合物レベルの4点曲げ疲労試験と統合し、アスファルトバインダーの損傷進展と混合物の疲労性能との間のメカニズム的な関連性を構築するクロススケール疲労評価フレームワークを提案します。G*·sin δなどの経験的なレオロジー指標に主に依存する従来の疲労評価アプローチとは異なり、提案されたフレームワークでは、連続体損傷力学から導出された損傷関連パラメータを利用して、繰返し荷重下におけるアスファルトバインダーの固有の劣化挙動を特徴付けます。また、影響因子としてアスファルトの原油起源を組み込むことで、温間混合改質の有効性は普遍的なものではなく、ベースバインダーの化学組成やコロイド構造に強く依存することをさらに実証します。これらの知見は、原油源、温間混合添加剤、老化感受性、および疲労抵抗性の間の相互作用に新たな洞察を与え、これによりアスファルト材料評価のためのよりメカニズムに基づいたアプローチを確立します。先行研究では、バインダーの疲労特性評価におけるLAS–S-VECD解析の有用性が強調されてきましたが、混合物スケールの疲労性能を予測するための直接的な適用可能性については、引き続き調査が進められています。本研究は、複数のバインダーシステムにわたってバインダーの損傷進展と混合物の疲労挙動との間のクロススケール関係を検証することにより、この研究分野に寄与するものです。
提案されたフレームワークは、バインダースケールのレオロジー特性評価と混合物スケールの構造的性能との間の乖離を埋めることで、アスファルトの疲労メカニズムに関する科学的な理解を深めるものである。従来のバインダー評価法では、複素弾性率や位相角などのパラメータが、損傷の進展よりも主に瞬時の粘弾性応答を記述するため、疲労損傷の漸進的な蓄積に関する情報は限定的であることが多い。対照的に、S-VECDアプローチは、アスファルトバインダーを連続的に劣化する粘弾性材料として捉え、疲労荷重中の構造的完全性の喪失を定量的に記述する。本研究で得られたLAS–S-VECDパラメータと混合物の疲労寿命との強い相関は、バインダーレベルの損傷進展が、混合物のひび割れ発生段階に関する有意義な情報を提供し得ることを示している。同様の知見により、機構的な損傷ベースのパラメータは、従来のレオロジー指標よりも優れた予測能を持つ可能性が示唆されている。したがって、本研究は、バインダースケールの損傷力学が性能ベースの舗装材料設計への架け橋となり得るという実験的根拠を提供することで、現在のアスファルト疲労研究を拡張するものである。
有望な結果が得られたものの、いくつかの限界を認める必要がある。第一に、本研究は特定の原油源に由来する3種類の asphalt binder と1種類の aggregate gradation を用いて実施された。したがって、提案した関係性の普遍性については、より広範な binder、改質技術、および混合物設計を用いてさらに検証する必要がある。選択した binder は工学実務で使用される代表的な舗装材料を代表しているが、asphalt 材料は原油の原産地、精製プロセス、および化学組成の違いにより、かなりの変動性を示す。第二に、室内疲労試験は制御された温度および荷重条件下で実施されたが、実際の舗装構造物は、温度変動、水分の浸入、交通荷重の変動、および長期的な経時劣化を含む複雑な環境要因にさらされる。第三に、LAS–S-VECD パラメータは混合物の疲労性能と強い相関を示したが、現在のデータセットは、すべての asphalt システムに適用可能な普遍的な予測モデルを構築するには不十分である。したがって、今後の研究では、提案した手法の堅牢性と転移性をさらに向上させるために、より大規模なデータベースと現場での性能観察を組み込むべきである。
バインダーの損傷進展と混合物の疲労性能との関係をさらに詳細に調査するために、代替的なアプローチを検討することも有効である。例えば、フーリエ変換赤外分光法（FTIR）、核磁気共鳴（NMR）、および分子動力学シミュレーションを含む高度な化学的特性評価手法を用いることで、オイル源に依存する疲労挙動を支配する分子メカニズムについて、さらなる知見が得られる可能性がある。先行研究では、アスファルテンの凝集、芳香族の分布、および極性に関連する相互作用を含むアスファルトの分子構造の変化が、レオロジー応答および老化感受性に大きな影響を与えることが示されている。加えて、原子間力顕微鏡（AFM）やX線ベースの特性評価法などの高度なイメージング技術を用いることで、疲労損傷の蓄積過程における微細構造の進展を直接観察できる可能性がある。これらのアプローチをLAS–S-VECD解析と組み合わせることで、分子構造、バインダーの損傷力学、およびマクロな舗装性能との関係について、より包括的な理解が得られると考えられる。
提案されたLAS–S-VECDに基づく手法は、アスファルト舗装工学および材料科学のいくつかの領域において重要な潜在的応用可能性を有しています。実用的な視点からは、このフレームワークは、時間のかかる混合物スケールの疲労試験を実施する前に、候補となるバインダーの評価、適切な温間混合添加剤の選定、および老化感受性の評価を行うための効率的なスクリーニングツールとして利用可能です。従来の経験的な仕様と比較して、提案されたアプローチは、バインダーの損傷特性を構造的な耐久性と直接的に結びつけることで、性能重視の舗装設計のための力学的根拠を提供します。これは、温間混合アスファルト、リサイクル材料、および代替バインダーの適用が増加しており、長期的な性能を予測するための信頼性の高い手法が必要とされている持続可能な舗装技術において特に価値があります。さらに、本手法は、予測モデルやライフサイクルアセスメントの枠組みに統合可能な、物理的に意味のある疲労記述子を提供することにより、データ駆動型の舗装設計システムの開発に寄与することが期待されます。
今後の研究では、提案されたフレームワークの適用範囲を拡大し、より包括的で現場志向の舗装性能予測へと発展させることに焦点を当てるべきである。より汎用的な疲労予測モデルを構築するためには、異なる原油源、ポリマー改質バインダー、再生アスファルト材料、および新たな持続可能改質剤を網羅する、より大規模なバインダーデータベースを今後の研究に組み込む必要がある。さらに、LAS–S-VECD解析をマルチスケール特性評価法、人工知能アプローチ、および分子レベルのシミュレーションと統合させることで、アスファルトの疲労挙動に関する理解と予測精度をさらに向上させることができると考えられる。また、実際の供用条件下でラボベースの予測を検証するために、長期的な現場モニタリングや加速舗装試験を取り入れるべきである。最終的に、力学的損傷モデリング、高度な材料特性評価、および性能ベースの設計戦略を組み合わせることで、より耐久性が高く、持続可能で信頼性の高いアスファルト舗装システムの開発が促進されることが期待される。
開示事項
著者は利益相反がないことを宣言します。
謝辞
主要R&Dプロジェクトへの支援をいただいた浙江省交通運輸庁に感謝いたします。本研究は、浙江省交通運輸庁の主要R&Dプロジェクト（ZJXL-SJT-202316A）の助成を受けて実施されました。
材料
| 名前 | 会社 | カタログ番号 | コメント |
|---|---|---|---|
| バインダーA / AO、カラマイアスファルト | 中国カラマイ原油由来 | N/A | ベースアスファルトバインダー |
| バインダーB / BO、CNOOC 36-1アスファルト | 中国CNOOC 36-1オフショア原油由来 | N/A | ベースアスファルトバインダー |
| バインダーC / CO、ペトロチャイナアスファルト | ペトロチャイナ / ベネズエラ・ボスカン原油由来 | N/A | ベースアスファルトバインダー |
| Evotherm M1 温間ミックス添加剤 | Ingevity / MeadWestvaco | Evotherm M1 | WMAバインダー調製用温間ミックス添加剤 |
| 動的せん断レオメーター | Malvern | Kinexus DSR+ | DSR温度スイープ試験およびLAS試験に使用 |
| 回転薄膜加熱試験装置 | Shanghai Changji | SYD-0610 | 短期老化試験に使用 |
| 圧力老化容器 | InstroTek | PAV-9300 | 長期老化試験に使用 |
| 4点曲げ疲労試験システム | Cooper Research Technology | SA4PT | ひずみ制御混合物疲労試験に使用 |
| S-VECD解析フレームワーク | データ解析 | N/A | LAS由来の損傷パラメータの算出に使用 |
| データ解析ソフトウェア | Origin | OriginPro 2024 | 回帰フィッティング、相関分析、およびプロットに使用 |
参考文献
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