線形振幅掃引試験および4点曲げ試験に基づく温間混合アスファルトの疲労損傷のクロススケール評価

サマリー

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。

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にまとめられている通り、本研究で選定した3種類の アスファルトバインダーは、異なる原油源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ものである。カラマイアスファルト、CNOOC 36-1アスファルト、およびペトロチャイナアスファルトは、原油の原産地、化学組成、老化感受性、およびレオロジー特性において顕著に異なっており、原油源に依存した疲労挙動を調査するための適切な材料的根拠となる。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、提案された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められる。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帯の重質油原料に由来し、減圧残留物と脱油アスファルトのブレンド工程を経て製造される。その基材は、低いパラフィン含有量（<2%）、最小限の硫黄濃度、および高い樹脂組成という特徴的な性質を示す。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に適用されている舗装用バインダーの中で唯一比重が1 g/cm³未満であり、優れた動粘度と老化後の優れた延性保持能を備えている。これらの特性により、日較差が大きく、激しい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沖合油田から抽出された希少な重質原油に由来し、精製によるビチューメン収率は56%と高い。原料は低硫黄のナフテン系重質原油であり、酸価が高いため、処理後のバインダーは高密度（1.012 g/cm³）でパラフィン含有量が少なく（1.8%）、樹脂の割合が高い。これらの特性により、このバインダーは優れた低温柔軟性を備えており、寒冷地での用途に適している。

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%の生産収率を達成している。この原油は、高酸価、高濃度の重金属、および強い炭素残渣形成能などの特有の地球化学的特徴を有する。本バインダーは、飽和炭化水素分が少なく、レジン・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示す。

本研究では、3種類のベースアスファルトバインダーをAO（Karamay）、BO（CNOOC 36-1）、CO（PetroChina）と定義した。対応するWMAバインダーは、Evotherm M1添加剤を配合して調製し、それぞれAP、BP、CPとコード化した²⁰。針入度、軟化点、伸度を含む包括的な性能指標をJTG E20-2011²¹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、「道路工学用アスファルトおよびビチュー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密に従った。

プロジェクト	単位	Karamay	CNOOC	CNPC
針入度	0.1 mm (15 °C)	22	22	24
	0.1 mm (25 °C)	72	68	71
	0.1 mm (30 °C)	112	110	116
PI	－	-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
伸度 (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)	℃	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
	残留針入度比 (%)	66.2	67.4	64.8
	残留伸度 (10 °C,cm)	13	12	9

表1：ビットミン結合材の主要技術パラメータ。 表1に、ビットミン結合材の基本的特性と耐久性を評価するための、物理的性質、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技術パラメータをまとめる。

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用いられた。まず、ベースとなるアスファルトバインダーを強制対流式オーブンにて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分間の平衡化を行った。温度調整中の酸化老化を最小限に抑えるため、すべての加熱工程は窒素保護（流量：0.5 L/min）下で密封容器を用いて実施した。

次いで、界面活性剤相の初期分散を確実にするため、高せん断処理の前に、300 rpmでの連続的な機械撹拌下、135 ± 2 °CでEvotherm M1添加剤を5分間混入させた。その後、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、ローターステータ均質機を用いて3000 rpmで25分間、高せん断混合を行った。混合工程全体を通じて、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の速度で25 °Cまで制御冷却し、その後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・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ー（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ーを用いて動的せん断レオメーター（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着目した。

バインダーレベルでの疲労感受性の指標として広く認識されている疲労因子 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刻みの温度上昇で行った。各目標温度において、熱的安定性を確保するため、データ収集前に供試体を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、バインダー供試体を、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）の併用老化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 の推移を分析し、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が均一になるよう、平行プレート間に載荷した後にバインダー試験片を慎重にトリミングした。試験片は測定前に、目標温度で10 minの間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、試験片の目に見える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仕様に従って実施した²⁵。実験手法には、線形粘弾性境界を確定するためのひずみ振幅スイープが含まれ、その後、10 rad/sでの周波数制御試験を行った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）を対象とし、6°C刻みで実施し、各等温区間において熱平衡のために10分間待機した。バインダーの損傷蓄積を散逸エネルギーの進展を通じて定量化するためにAASHTO T391プロトコルを採用し、特に繰り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。ビチューメン複合材料の劣化パターンの予測には、簡易粘弾性連続体損傷（S-VECD）フレームワークを採用した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%分解能の増分で制御されたひずみ進行を適用する。

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、粘弾性指数を表します。

損傷の定量化には、式(4)で表される基本的関係を用いました：

(4)

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) で表されます。ここで、G^*は複素弾性率 (MPa) です。

γ_0—適用歪み (%);
t—試験時間 (s)

損傷指標 D(t) および構造整合性係数 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 × D^C₂ (5)

数式において：C0​は初期完全性パラメータ（通常は1に等しい）を、C1およびC2はフィッティングパラメータを表します。

せん断応力ピーク点の概念を用いて、疲労損傷値を算出します。

(6)

Cpeakは、最大剪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：

N_f = A(γ_max)^-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;
γ_max — 予想最大ひずみレベル (%)

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）で実施しました。報告された結果は、繰り返し測定の平均値を表しています。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表示しています。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）を追加で算出しました。

すべての場合において、修飾されたバインダーと未修飾のバインダーと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、スケール間の相関関係を確立するため、AC-16C粒度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。各骨材サイズの粒度、見掛け密度、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)	骨材区分					合成粒度 (%)
	1# (10~20mm. 29%)	2# (5~10mm. 29.2%)	3# (3~5mm. 17%)	4# (0~3mm. 19%)	鉱粉 (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
見かけ比重	2.899	2.918	2.845	2.754	2.872	2.865
表面乾燥飽和比重	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：温間混合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、鉱粉含有量、合成粒度曲線、および骨材の物理的特性を含む、温間混合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するものである。

温間混合アスファルト（WMA）混合物の疲労耐久性を評価するため、ひずみ制御負荷条件下でCooper試験装置を用いて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負荷回数と定義した。確立された試験プロトコル³³に従い、15 °Cの等温条件下、10 Hzの周波数で連続正弦波状の繰返し負荷をかけた。疲労負荷中のエネルギー入力を中断させないため、すべての試験は休止時間を設けずに行った^34,35。

梁供試体は、長さ 381 ± 6.35 mm、幅 63.5 ± 6.35 mm、高さ 50.8 ± 6.35 mm という標準的な寸法要件に従って作製した³⁶³⁷。ひずみ制御条件下において、異なる WMA 配合の供試体の疲労特性曲線を両対数座標系にプロットすることで、疲労性能を評価した³⁸。その後、べき乗則による構成関係を確立し、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、これにより以降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。梁供試体を4点曲げ治具に対称的に設置し、載荷前に載荷クランプと供試体表面の接触状態を確認した。試験は 15 °C で、休息時間を設けず、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% まで低下したサイクル数と定義した。破壊が標点区間内で発生し、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) で示し、特に断りのない限り、すべての実験群のサンプルサイズは 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、疲労ひび割れの主要な発生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中間サービス温度で測定された（数値）を用い、温間混合アスファルト（WMA）バインダーの疲労性能を評価した。 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のオリジナルバインダーおよび温間ミックス改質バインダーについて。すべての定量結果は平均値で表している。 ± 3回の繰り返し測定に基づく標準偏差（n = 3）。同一温度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には独立標本t検定を用い、有意水準は以下として判定した。 p < 0.05。～に示されているように 図1, G*sin δ すべてのアスファルトバインダーにおいて、温度の上昇とともに連続的に減少し、中温域の温度が高くなるほど疲労に関連する剛性が低下することを示している。アスファルトAの場合、APは著しく高い値を示し、 G*sin δ 16～25の試験温度範囲全体において、AOよりも高い値 ˚ C (p = 0.025（範囲：0.018–0.032）であり、7685から減少した ± 126から2480まで ± 84 kPaであるのに対し、AOは5580から減少する ± 112から1535 ± 76 kPaであった。同様に、血圧（BP）は有意に高い値を示し、 G*sin δ BOの値が22から28までの値よりp = 0.021（範囲：0.011–0.027）であり、BPは7980から減少した ± 138から3985まで ± 105 kPa、および6120から減少するBO ± 120～1725 ± 82 kPaであった。これらの結果は、温間ミックス添加剤がアスファルトAおよびBの疲労係数を増加させ、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の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、ほとんどの温度域でその差に統計的な有意性は認められなかった（p = 0.086–0.214)。具体的には、CPは13.420から減少する ± 185から4420 ± 96 kPaであり、一方でCOは13.080から減少する ± 172から4350まで ± 91 kPaであり、これ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及ぼす影響が限定的であることを示している。全体として、3種類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、疲労性能に対するアスファルト原料の影響を反映している。アスファルトAおよびBは温間混合添加剤に対してより敏感である一方、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た。この観察結果は、Asphalt Cの固有の化学組成がその粘弾性応答を支配しており、それによって疲労関連パラメータの添加剤改質に対する感度が低下していることを示唆している。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浮き彫りにしている。温度掃引の結果からは、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傾向が明らかになった。温度が上昇するにつれて、わだち掘れ因子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、粘性支配的な挙動への漸進的な移行が示された。高温になることでバインダー内部の分子運動が激しくなり、弾性構造が弱まり、変形に対する抵抗力が低下する。逆に、老化の程度が進むと、G*/sin δ値が高くなり位相角が低下し、老化に伴う硬化によって剛性と弾性応答が強化されることが反映される。

図1疲労係数 (G*sin δ温度の関数としての異なるアスファルトバインダーの（） (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はそれぞれに対応する温間混合アスファルトバインダーを示す。G*sin δ すべてのバインダーにおいて、温度の上昇とともに低下するが、温間混合改質のによる影響はバインダーのソースによって異なる。 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的変化は、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。低分子量成分が酸化および重合反応を通じて徐々に高分子量構造へと変化し、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、それは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、原油の産地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ベースの疲労因子を解釈し、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、原油産地固有の特性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·sin δ の増加は、Figure 1. にまとめられた生のDSRデータを用いて定量化した。パーセント変化は、対応する未老化バインダーの状態を基準として算出した。

線形振幅スイープ
S-VECDフレームワークから導出された主要パラメータを表3にまとめる。整合性指標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性化するものであり、C = 1は初期の未損傷状態を、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整合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いて構造的安定性が向上していることを示し、これはバインダーレベルでの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、一般に老化に伴いC₁は増加しC₂は減少することから、バインダーの整合性の推移および疲労耐性が低下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示す一方、CNPCアスファルトは逆の傾向を示しており、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
Karamay	1448855	1	0.0144	0.7346	2.93 × 10⁵	2.90 × 10⁶
経時劣化Karamay	1434103	1	0.0132	0.7412	3.00 × 10⁵	2.87 × 10⁶
CNOOC	1415228	1	0.0178	0.7112	2.25 × 10⁵	2.83 × 10⁶
経時劣化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
経時劣化CNPC	1500600	1	0.0371	0.5822	4.41 × 10⁵	3.00 × 10⁶

表3：VECD法に関連するパラメータ。 表3は、未老化および老化状態における3種類のasphalt binderについて、フィッティングされ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、asphaltのタイプ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 conventionalな条件および温間混合 модиFIEDな条件における、異なるアスファルトバインダーの損傷進展曲線を例示しています。同一の応力レベルにおいて、温間混合アスファルト（WMA）系は、conventionalな系よりも損傷累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、温間混合による改質が繰返し荷重時の内部エネルギー散逸メカニズムを最適化し、それによって疲労抵抗性を向上させることを示唆しています。損傷速度係数の変化率は、以下に記載するフィッティング後の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参照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よる疲労抵抗特性。 (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はそれぞれに対応する温間混合アスファルト試料を示す。 こちらのリンクをクリックして、この図の拡大版を表示してください。

損傷進展プロファイルの詳細な検討により、バインダーに依存した顕著な差異が明らかになった。温間混合改質Asphalt 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疲労耐性を示す。この結果は、温間混合添加剤が繰り返し荷重下におけるAsphalt Aの耐久性を効果的に向上させることを裏付けている。対照的に、Asphalt Bは温間混合改質に対する反応が極めて小さく、改質および未改質バインダーのいずれにおいても、損傷の進行軌跡はほぼ同一であった。Asphalt Cについては、閾値依存的な改善が観察された。温間混合改質バインダーは、損傷変数が100単位を超えた場合にのみベースアスファルトを上回る性能を示しており、これは添加剤の効果が主に損傷の進行した段階で活性化されることを示唆している。

LAS試験から得られた疲労寿命の定量的な比較を図3に示す。観察された疲労性能の変動は、温間混合添加剤とバインダーの相互作用が材料に特異的であるという性質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PetroChinaアスファルトが最高の疲労耐性を示しており、これはそのベース原料組成に関連する固有の優位性を反映している。対照的に、カラマイアスファルトは温間混合改質後に最も顕著な改善を示しており、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重要な役割を果たすことが強調されている。

図 3. 3 種類の アスファルトバインダーにおける 加熱アスファルト混合物 (HMA) と 温間アスファルト混合物 (WMA) の疲労寿命の比較。3 つのバインダータイプすべてにおいて、WMA と HMA の疲労寿命の差はわずかであった。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、これらの結果は、温間混合への変更が疲労寿命に与える影響はわずかであり、変化の大きさと方向はバインダーの種類に依存することを示している。こちらのリンクをクリックして、この図の拡大版を表示してください。

温合材改良によって一般的に疲労性能は向上したものの、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のメカニズムが、バインダー構造を化学的に強化することよりも、主に製造温度の低減と短期的な酸化老化の抑制に寄与することに起因すると考えられる。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。繰り返し測定間での一貫性は、改善の程度が限定的であるにもかかわらず、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視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与える影響を分析した。3種類のバインダーはそれぞれ異なる組成特性を示しており、一般的に芳香族成分と飽和成分の比率が高いほどストレス再分配が改善され損傷の蓄積が遅延する一方、アスファルテンに富む系ほど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、カラマイ産アスファルトは芳香族分画が比較的高く飽和分画が低いことを示しており、これはLASおよび混合物スケールの両テストにおける損傷進展速度の低下（C₁値の減少）および疲労寿命の向上に対応している。対照的に、中国石油（PetroChina）由来のバインダーは、よりバランスが取れているものの飽和分画が相対的に高く、その結果、中間的なS-VECD損傷蓄積挙動を示した。原油の起源特性から推測される極性関連分画が高い中国海洋石油（CNOOC）由来のアスファルトは、繰返し荷重下でより急速な剛性増加を示し、それが高いC₁値と疲労寿命の低下に反映されている。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及ぼすことを示唆している。総じて、今回の結果は、すべてのアスファルトシステムに完全に適用可能な普遍的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るべきである。

混合物スケールの疲労抵抗性
異なる温間混合アスファルト（WMA）技術を導入したアスファルト混合物の疲労抵抗性を系統的に評価し、対応する疲労試験結果を表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明らかにしている。観察された変動性は、混合物スケールの疲労性能が材料組成および温間混合技術に強く依存していることを示している。

アスファルトの種類	サンプルID	空隙率 (%)	歪みレベル (με)	疲労寿命 (回数)
Karamay	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
CNOOC	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	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、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試験結果をまとめたものであり、さまざまな試験条件下での疲労寿命および関連する性能パラメータが含まれている。これらの結果は、温間混合アスファルト混合物間の耐疲労性の違いを示しており、それらの疲労性能を評価するための基礎となるものである。

瀝青複合材料の疲労性能は、舗装材における繰返し応力劣化を定量化する式(9)を用いて数学的にモデル化されます。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：N_f——アスファルト混合物の疲労寿命；
ε——ひずみ；
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表しており、異なるWMA配合間での疲労性能の直接比較を可能にする。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	0.993
B	y = 1.713 × 1015x−5.120​	1.713 × 1015	5.12	0.965
C	y = 1.233 × 1019x−5.975​	1.233 × 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、疲労性能を予測し、異なる温間混合アスファルト混合物の疲労耐性を比較する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とひずみの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、これは瀝青複合材料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、混合物の疲労抵抗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、破壊に至るまで繰り返し載荷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: 異なる温間混合タイプの合材におけるアスファルト混合物の疲労パターン。図4に示すように、すべてのアスファルト混合物の疲労寿命は、ひずみレベルの上昇とともに低下した。3種類の温間混合アスファルト混合物のうち、混合物Cが最も高い疲労耐性を示し、次いで混合物AおよびBの順であった。混合物Cの疲労寿命が著しく高いことは、この温間混合技術がアスファルト混合物の疲労損傷蓄積に対する耐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。

等しい空気間隙条件下において、WMA技術は製造および締固め温度を約20–30 °C低下させることで、疲労性能に顕著なメリットをもたらします。この温度低下により、長期的な脆化の主な要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。バインダーの粘弾性と応力散逸能を維持することで、WMAは繰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、および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ために不可欠です。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、Figure 5に示すように、バインダー疲労因子 G*sin δ と混合物疲労寿命 N_f 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定量的な影響を及ぼしていることが示されました。特に、Binder Bは極めて強い相関（R² = 0.99, p < 0.001）を示しており、この材料においては G*sin δ が混合物疲労寿命の信頼性の高い予測因子となることが示唆されます。対照的に、Binder AおよびCは比較的弱い相関（R² = 0.6051および0.7933）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: アスファルト疲労因子 G*sin δ と混合物疲労寿命 N_f の相関関係。(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∗sinδ が混合物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で最も高い一貫性が認められ、次いでアスファルトC、Aの順であった。ここをクリックして、この図の拡大版を表示してください。

さらに、Simplified Viscoelastic Continuum Damage (S-VECD) フレームワークを用いて解釈し、LAS試験から得られたバインダー損傷進展パラメータと混合物の疲労寿命との相関を求めることで、クロススケール検証が行われました。図6に示されるように、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疲労耐性ととの間に、強固かつ一貫した関連性があることが実証されました。

図 6: アスファルトの疲労損傷と混合物の疲労寿命 N_f の相関関係。 (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、Cにおいて高い決定係数が得られ、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徴付けられることが示された。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している。ここをクリックして、この図の拡大版を表示してください。

全体として、混合物スケールの疲労結果は、疲労性能が混合物組成、温間混合技術、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る。従来のレオロジー指標は、特定のバインダーに対して限定的な予測能しか持たないが、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す。これらの知見は、バインダースケールの損傷特性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のためのメカニズム的根拠を提供する。3種類の アスファルトバインダーが温間混合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よって生じるコロイド構造の違いに起因すると考えられる。アスファルトバインダーは通常、芳香族、樹脂、および飽和成分からなるマルテン相に分散したアスファルテンで構成されるコロイド系と見なされる。これらの分画間のバランスが、温間混合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支配する。カラマイアスファルト（バインダーA）の場合、樹脂含有率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弱くなる。この系では、温間混合添加剤の導入によって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 値が増加する。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しやすくし、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ていることを示している。

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系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、比較的堅牢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にとどまっており、添加剤の効果がバインダー微視構造の固有の安定性によって大きく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）については、極性関連分率が高く、アスファルテンの複雑性が増しているため、より剛性が高く凝集しやすい微視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、大幅な損傷蓄積が起こっ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強く相互作用するのではなく、応力再分布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与える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支配されていることを示している。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結びついており、レオロジー試験と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するメカニズム的な説明を与えるものである。

データの可用性：
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。

材料

この記事で使用された材料の一覧

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