高温下におけるアスファルトバインダーの化学的・レオロジー的劣化指標間の相関

道路の老朽化が誰にとっても重要な理由

刻まれた轍やひび割れた舗装を走ったことがある人なら、道路が経年変化すると何が起きるかを体感しているはずです。アスファルト路盤の中心には、石材を接着する粘着性の高いタール状物質、バインダーがあります。長年にわたる太陽、熱、空気の影響でこのバインダーは硬化し脆くなり、交通荷重下での路面挙動が変わります。本研究は、バインダー内部で起きる化学変化がその流動性や剛性の変化としてどのように現れるかを調べ、いつ路面が轍やひび割れを生じるかを予測しやすくし、再生材料の安全な扱い方を考える手がかりを得ることを目的としています。

時間と交通でアスファルトはどう変わるか

アスファルトバインダーは多数の有機分子からできており、空気中の酸素と反応します。混合や舗設の過程ではバインダーは高温と空気にさらされ、初期の急速な劣化が起きて新設路でも交通がかかる前に既に硬くなります。その後は数年にわたって、熱、酸素、日光、湿気の複合的作用によるゆっくりした劣化が続きます。この長期的なプロセスはさらに剛性を増し、夏の高温では永久的な轍に対する抵抗性が高まる一方で、柔軟性は失われ疲労や低温割裂のリスクが増します。気候変動による熱波の増加や再生アスファルト舗装（RAP）の利用拡大に伴い、「有益な」硬化と「有害な」劣化のバランスを理解する重要性が高まっています。

バインダーの化学と感触を探る

研究者らは、硬さの異なる三種類の一般的なアスファルトバインダーを用い、短期および長期の劣化を実験室で精密に制御して再現しました。混合時の加熱と空気暴露を模擬するローリング薄膜オーブンを用い、その後、在役年数を模擬するために圧力老化容器で1〜3サイクルの処理を行いました。化学変化を追跡するために赤外線吸収を使い、バインダーの酸化に伴って増える酸素含有基の増加を測定しました。これらの信号は統合して、バインダーの化学状態が新鮮な状態からどれだけ離れたかを示す単一の「劣化指標」として表されます。並行して、高温での流動性や変形性を評価するため、小さなバインダー試料をねじったり回転させたりする装置で、粘度、振動荷重下での剛性、より詳細な粘弾性モデルに関連する諸量を測定しました。

最初の段階が大部分の損傷をもたらす

三種類のバインダーに共通して、すべての劣化指標は同じ方向に動きました：化学的酸化は増大し、高温での剛性は上昇し、流動に対する抵抗は強くなりました。特に最初の長期劣化サイクル後の変化が顕著で、その後のサイクルでも劣化は進むものの増分は小さくなりました。このパターンは赤外線ベースの指標、非常に遅い荷重下での流動を表すゼロせん断粘度、そして路面が永久的な車輪跡の窪みへどれだけ抵抗するかを反映する広く用いられる轍評価パラメータのいずれにも見られました。バインダーが弾性的挙動から粘性的挙動へ移行する様子を記述する高度な粘弾性モデル由来のパラメータも系統的に上昇し、硬化過程に敏感であることが示されました。

化学と性能を結ぶ単純な法則

全ての測定値を横断的に見ると、化学的指標と機械的指標の間に明確で数学的に単純な関係が見いだされました。特定のバインダー等級について、赤外線劣化指標はゼロせん断粘度の対数および剛性曲線を形作る主要なモデルパラメータと直線的に上昇しました。轍評価パラメータは化学指標に対して強いべき乗則的関係を示し、ゼロせん断粘度には指数関係を示しました。実務で比較的容易かつ一般的に測定される高温回転粘度は、試験した全バインダーで轍評価パラメータと密接に一致し、より複雑な粘度指標とも強く結びついていました。これらの傾向は各バインダー等級内で一貫しており、単純な粘度と轍剛性の結びつきのようないくつかの関係は、同じ原油由来で作られた等級をまとめて解析しても強く残りました。

傾向を実用的な手法に変える

一般読者にとっての主要メッセージは、道路バインダーを徐々に硬化させる同じ酸化化学が、これらのバインダーの流動や荷重下での変形に明確な指紋を残すということです。ある種の測定（たとえば迅速な粘度試験）が、特定のバインダー系内では他の詳細な化学スペクトルや高度な剛性モデルを信頼して追跡できることを示すことで、本研究は道路劣化のより簡便なデータ駆動型チェックの基盤を築きます。技術者はこれらの傾向線をいくつかの測定で較正し、より扱いやすい試験を高価あるいは困難な試験の代替として用いることができます。最終的には、これにより道路管理者は轍抵抗と割裂リスクのバランスを取りながら舗装設計、RAP含有量の選定、維持管理計画を立て、舗装寿命を延ばすと同時に資材利用の効率を高められます。

引用: Taheri, A., Khodaii, A. & Hajikarimi, P. Correlations among chemical and rheological aging indices/indicators of asphalt binder at high temperatures. Sci Rep 16, 9186 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-40007-6

キーワード: アスファルトの劣化, 舗装の耐久性, バインダーの酸化, レオロジー, 再生アスファルト