永久変形永久変形(進捗状況報告 )

担当：千原，村担当：千原，村山山

土木学会　舗装工学委員会　舗装材料小委員会土木学会　舗装工学委員会　舗装材料小委員会アスファルト分科会　調査報告アスファルト分科会　調査報告

１．永久変形　　　　　　　　　　　　 1.1 　バインダ性状と永久変形　 1.1.1 　国内の研究　 1.1.2 　海外の研究　 1.1.3 　抵抗性を高める対策 1.2 　骨材性状と永久変形 　 1.2.1 　国内の研究　 1.2.2 　海外の研究　 1.2.3 　抵抗性を高める対策 1.3 　混合物性状と永久変形 　 1.3.1 　国内の研究 　 1.3.2 　海外の研究 　 1.3.3 　抵抗性を高める対策 1.4 　実路の永久変形予測　 1.4.1 　国内の研究　 1.4.2 　海外の研究 1.5 　まとめ 　 1.5.1 　材料特性値の設計用値としての適用性 　 1.5.2 　今後の研究課題

目　次

1.1 　バインダ性状と永久変形

図 - 　アスファルト混合物の永久変形に対する抵抗性の要因分類

図 -1.2 　針入度と動的安定度の関係 3)

　針入度による永久変　　形の推定は難しい

1) 従来の試験　 a) 　針入度

1.1.1 　国内の研究

図 -1.3 　高速道路において測定されたわだち掘れ進　　　　　行量と軟化点の関係 4)

　軟化点とわだち掘れ進行量　　には相関が認められる

b) 　軟化点

図 -1.4 60℃ 粘度と WT 変形量 ( 水深 )の関係

　軟化点とわだち掘れ進行量　　には相関が認められる

c) 　粘度

更に詳しく要調査！

チキソトロピーの強いアスファルトでは軟化点近傍の温度でずりせん断速度依存性が変化する　　→　改質アスファルトのような非ニートン流体のバインダ　　→　軟化点や 60℃ 粘度と混合物の流動変形に良い関係が　　　　　見られない可能性が高い

表 -1.1 　各種改質アスファルトの性状試験値と DS との相関係数

現状，改質アスファルトを含めると現状では，軟化点が最も永久変形と関係がある

2) 　特殊な試験　 a) 　 DSR

トルク(T)回転角(θ )

半径(r)

ギャップ(h)対象試料

トルク(T)回転角(θ )

半径(r)

ギャップ(h)対象試料

図 - |G*|/sinδ と DS の関係

|G*|/sinδ と DS に良い関係が見られる

周波数が遅いほうが |G*|/sinδ と DS の相関が高い

図 - 　　　 |G*|/sinδ と動的安定度 (DS) の関係

ストアス系には高い相関が認められるが，改質アスファルトについてはやや相関係数が低くなった

1.1.2 　海外の研究

表 - 　バインダ特性値とホイールトラッキング試験の車輪走行回あたりの変形量の逆数 ) との関係

1)従来の試験　　省略2)新たな試験　 a) 　 DSR からの |G*|/sinδ

周波数が小さいほうが幾分良いが，さほど相関は高くない

図 - 　 10rad/s で測定した混合物の RSCH 累積ひずみの変形勾配Ｓとパラメータ | Ｇ *|/sinδ の関係

相関は低い

強制振動 DSR の問題点

１．試験の数サイクル後に測定された線形粘弾性から導かれた　ものであり，バインダのダメージ挙動の測定値とはいえない．２．周期的な可逆的載荷から導かれた値であり，直接的な測定　　値とは言えず，繰返しクリープ載荷におけるバインダの永久ひ　ずみの累積の良い科学的な指標ではない．

(NCHRP 　 Rep.459 より )

b) 　 DSR による繰り返しクリープ試験載荷 1s 　→休止 9s 　の繰り返し

図 - 　混合物の RSCH 累積ひずみの変形勾配Ｓとバインダのクリープスロープ S の関係 | Ｇ *|/sinδ と比較するとかなり良い

バインダの永久変形抵抗性の新たな指標： Gv

繰返しクリープ試験における，クリープコンプライアンスの粘性要素 (Jv) の逆数

t

c) ゼロせん断粘度 (Zero Shear Viscosity)

dtdJ (t)

0η1

(t→∞)

ωG"

0η ( 　→ 0)ω

クリープモード

オシレーションモード

ZSV

表 - 　バインダ性状試験値とホイールトラッキング試験で混合物が 10mm 変形するまでの走行回数 N10 との相関

1.1.3 　抵抗性を高める対策 1) 改質アスファルトの効果　　 a) 　改質材の種類　　 b) 　バインダのレオロジー　　 c) 　アスファルト中の改質材の分散形態（モルフォロジー）　　 d) 　各種改質アスファルトの効果

内容は省略

1.2 　骨材性状と永久変形 1.2.1 　国内の研究 1) 　従来の試験

黒川ら (2002) は，粗骨材の扁平率は混合物の締め固め特性に影響　→　間接的に永久変形に影響

牧ら (1994) は，遠心破砕方式で製造した粗骨材は打撃破砕のものよりも扁平率が低く， DS が大きくなる

村山ら (2001) は，粗骨材の吸水率，すり減り量，扁平率などの従来の骨材性状とポーラスアスファルト混合物の流動変形に関係は見られない

☆ 従来の性状試験と DS には良好な関係は見られない◆ 使用粗骨材を変えた空隙率 20 ％の排水性混合物粗　　骨材の吸水率，すり減り量，扁平率と DS との関係

相関低い

2) 　特殊な試験a) 　細骨材の形状評価

七五三野 (1996) らは，質量法，スランプ法，ロート法の 3 種の試験方法を用いて，細骨材の稜角に関して評価

図 - 　砂のロート流下時間と DS の関係

小林ら (1996) は， CCD カメラで撮影した細骨材の画像を画像解析技術を用いて式 (3.2.11) ～(3.2.13) 示す形状因子を算出　→　針状度と内部摩擦係数に良い相関

b) 　粗骨材の形状評価村山ら (2003) は，粗骨材表面のマイクロテクスチャがアスファルト混合物の永久変形抵抗性について検討

0 5 10 15 200

1000

2000

3000

4000

5000

6000

7000

A1

A1-1

A1-3

A1-10

A1-30

DS

(回/m

m)

　骨材のすり減り率 (％)

図－　骨材のすり減り率と DS

1.2.2 　海外の研究 1) 　従来の試験

交通量1×106ESALs ＜100mm ＞100mm＜0.3 - -＜1 40 -＜3 40 40＜10 45 40＜30 45 40＜100 45 45?100 45 45

表層からの深さ

注) 規格値は，ルーズに締め固められた細骨材の空隙率である．

◆SUPERPAVE における細骨材の角張りの基準

◆AASHTO T304

☆日本とあまり変わらないが，　細骨材の角張りが入っている

IT =150

a) 粗骨材表面の CCD 画像のウエーブレット解析から得たテクスチャ・インデックス (IT)

IT =110

IT =245IT =422

図 - Texture Index の異なる粗骨材を用いた混合物のハンブルグ・ホイールトラッキング試験結果

2) 　特殊な試験

1.2.3 　抵抗性を高める対策

要調査

1.3 　混合物性状と永久変形 1.3.1 　国内の研究

1) 従来の知見　表 - 　アスファルト混合物の配合における永久変形に対する要因と効果

　 b) 牛尾の方法　←　舗装標準示方書に記載アスファルト混合物の載荷時間と温度条件を考慮したク

リープ特性と多層弾性理論によるアスファルト混合物の圧縮変形量（アスファルト混合物層の上面と下面の変位の差）の解析とから，次式を用いて行う．

　　　　 　　　　　ここに， ：短時間載荷 (0.02秒 ) における

アス混合物　　　　　　　　　　　　　　のスティフネス (MPa) 　　　　 　：交通履歴時間を考慮したアス

混合物　　　　　　　　　　　　　　のスティフネス (MPa)　　　　　　　　 　　　　 　：載荷に伴うアスファルト混

合物　　　　　　　　　　　　　　の圧縮変形量 (mm)　

iaimix

iDmixa w

SS

)()(

,

,

DmixS ,

,mixS

iaw

載荷時間

S b

it

Smix

S b

itバインダのスティフネス

混合物のスティフネス

DmixS ,

,mixS

2) 　新たな試験　 a) 　ホイールトラッキング試験における復元変形量測定

(供試体 アスコン）

鉄板(t=1mm)型枠 ナット

変位計

試験輪

50mm

200mm

300mm

ネジ(f =5mm，L=60mm)

-1.0

-0.8

-0.6

-0.4

-0.2

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

0 1 2 3 4 5 6 7 8Time (s)

St-M B-M II-MH-P ゴム板

Def

orm

atio

n (m

m)

-1

0

1

2

3

4

5

6

7

8

3591 3592 3593 3594 3595 3596 3597 3598 3599 3600Time （ｓ）

Def

orm

atio

n （m

m） St-M

B-MII-MH-Pゴム板

図 - 　試験開始 3往復 図 - 　試験終了前 3往復

1.3.2 　海外の研究　

❑Superpave Shear Tester(SST) によるアスファルト混合物の永久せん断ひずみおよびスティフネスの測定， AASHTO T320-03

　概要：ジャイレトリーコンパクタ (SGC)で作製した円柱状の供試体を用いて一定応力速度でせん断試験を行い，永久せん断ひずみを求める．永久せん断ひずみはわだち掘れと関係があるとしている．

❑アスファルト・ペーブメント・アナライザーを用いたアスファルト舗装用混合物のわだち掘れ抵抗性の決定， AASHTO TP63-03

　概要： SGCで作製した円柱状の供試体を 2個連結し，供試体の上から水圧をかけた耐圧ホースを介して走行車輪を走行させ， 8000回走行時のわだち掘れ深さを測定する．

❑締め固められた加熱アスファルト混合物のハンブルグ・ホイールトラッキング試験， AASHTO T-324-04

　概要：水中で供試体上にスチール製の車輪を往復走行させ，アスファルト混合物の永久変形抵抗性と耐水性を評価する．供試体は，SGCで作製した円柱状の供試体を 2個連結したものや，ローラコンパクタで作製した平板を用いる．

(NCHRP Report 465, p27)

Superpave Shear Tester （ＳＳＴ）

【装置】載荷装置　　 ： 油圧で鉛直方向と水平方向に繰返し載荷可荷重　　　　 ： 0 ～ 31kNLVDT( 鉛直 ) ： 0 ～ 5mmLVDT( 水平 ) ： 0 ～ 0.05mm温度　　　　 ： 0 ～ 80℃

【供試体】 ・室内作製： Φ150mm×75mm （ Gyratory ）　　　　　　　　　　　↓（上・下面カット） 　　　　　　 Φ150mm×50mm 　　・現場採取： Φ150mm×50mm ～ 38mm

ＳＳＴによるアスファルト混合物の永久せん断ひずみおよびスティフネスの測定

◆Asphalt Pavement Analyzer(APA) による方法

APA 装置の概要

◆ハンブルグ・ホイールトラッキング試験による方法

ジャイレトリ・コンパクタによる供試体

1.3.2 　抵抗性を高める対策1)配合設計　 SHRP容積配合設計など2) 粒度　 a) 　 SMA　 b) 　大粒径　 c) 　ポーラス

内容は省略

特殊な対策　路面の色

◆通常のアスファルト舗装の　　　　熱収支の例

◆地表面のアルベドの測定例

☆アルベド　大→　　路面温度の上昇抑制　

　　　　→わだち掘れ　小

1.4 　材料特性を用いた実路の永久変形予測1.4.1 　 国内の研究1.4.2 　海外の研究　 1) 経験的な予測手法 (Empirical Method) 　 2) 力学的な予測手法 (Mechanistic Method)　 3) 力学経験的な予測手法 (Mechanistic-Empirical

Method)　　 方針　使用している材料特性を　抽出して整理する

1) 主な経験的予測手法 (Empirical Method)

国 機関または研究者 概要 時期日本 首都高 交通特性や気象（温度）特性に関連す

る各種影響因子のわだち掘れに対するウェイトを考慮して，動的安定度 DSをもとにわだち掘れ量を予測

1980年代松野ら 1980年代土研 1980年代

北海道開発局

年間路面高温ポイントと時間大型車交通量との積を指標としてわだち掘れ量を予測

2000年代

海外 Scholz ら WesTrack での促進載荷試験デ－タをもとに HMA の品質と関連した予測式を構築

2000年代

Monismithら

Scholz らの予測式をもとにあるわだち掘れ量に達する EASAL （等価換算標準軸数）と品質との関係式を構築

2000年代

2) 　主な力学的予測手法 (Mechanistic Method)

国 機関または研究者 概要 時期日本 牛尾 クリ－プ特性と弾性理論よりアスファ

ルト混合物の上面と下面の変位差を算定してアスファルト層のわだち掘れ量 (層厚減少量 )を予測

1980年代

金井ら 牛尾のアスファルト層の予測変形量に，Shell の路床破壊規準式を変形利用して得られる路床の予測永久変形量を加えてわだち掘れ量を予測

2000年代

海外 Shell クリ－プ試験等からアスファルトのスティフネス Sbit より求まる混合物のスティフネスSmixを用いて構造解析を行い，アスファルト層のわだち掘れ量（層厚減少量）を予測

1970年代

3) 　主な力学経験的予測手法 (Mechanistic-Empirical Method)

機関または研究者 概要 時期FHWA LTPP 調査デ－タをもとに As層，路盤，路床の永

久変形を合わせた予測式を構築1990年代

米国ミシガン州 39 試験区間より収集したデ－タに基づく予測式を構築

1990年代

AYMA モンテカルロシミュレ－ションを用いてわだち掘れ量を予測

1990年代

Deacon ら WesTrack の実測デ－タと SHRP の繰返し単純せん断試験（ RRST-CH ）結果とを用いて，多層弾性理論による構造解析によりわだち掘れ量を予測

2000年代

AASHTO 　Design

Guide 2002

室内試験モデルを 28 の州における 88 の LTPP区間デ－タをもとにキャリブレ－ション修正して予測式を構築

2000年代

1.5 まとめ1.5.1 　設計用値としての材料特性値の適用性

1.5.2 　今後の研究課題

方針　わだち掘れと関係の深い特性値とその設計用値への適用性を検討する

方針　課題の抽出と整理

項 目 特性値 小 永久変形 大

軟化点 高 低

(G*/ sinδ )粘弾性 高 低

ゼロせん断粘度 高 低

弾性回復 大 小

すり減り減量 少 多

軟らかい石片 少 多

粗骨材表面マイクロテクスチャ 粗 滑

細骨材の内部摩擦 大 小

細骨材の針状度 大 小

最大粒径 大 小2.36mm通過量 少 多0.075mm通過量 少 多

( )粗骨材の接触点面積 多 少

粒度曲線 ギャップ 連続

アスファルト量 少 多

VMA* 大 小

VCA* 大 小

空隙率(密粒度) 4％程度

容積特性

* ( )粗骨材の粒径 最大粒径 によって最小値は異なる．最小密度となるアスファルト量より 下限側アスファルト量に関する記述である．

バインダ

骨材

粒 度

◆ 材料の特性値と永久変形との関係

①首都高 ○ ○ ― ○ ○ ○ ―

②松野ら ○ ○ ○ ○ ○ ○ ―

③土研 ○ ○ ― ○ ○ ○ ―

④北海道開発局 ○ ○ ― ― ○ ○ ―

①牛尾 ○ ○ ○ ○ ○ ○ ―

②金井ら ○ ○ ○ ○ ○ ○ ―

①T.V.Scholzら ○ ○ ― ― ― ― ―

②C.L.Monismithら ○ ○ ― ― ― ― ―

Mechanistic ①Shell ○ ○ ○ ○ ○ ― ―

①FHWA ○ ○ ― ― ○ ― ―

②ミシガン州 ○ ○ ― ― ○ ― ―

③AYMA ○ ○ ― ― ○ ○ ○④J.A.Deaconら ○ ○ ― ― ○ ○ ―

走行位置f(W)

気温T 老化

舗装体or路面温度

T

走行速度(載荷時間)

V

気象特性

日本

Empirical

Mechanistic

国 分類 機関または研究者

交通特性

荷重(接地圧)

P

交通量N

海外

Empirical

Mechanistic-Empirical

○⑤TRB(AASHTO DesignGuide 2002）

○ ○○ ○ ○ ○

◆わだち掘れの予測式に考慮されている設計条件

◆考慮すべき要因に対する留意点と着目すべき指標従来の知見 新たな視点

バインダ

P,N,V,T・ すべてに影響されることから最も考慮すべき要因・改質アスファルトの使用を検討

・軟化点・粘弾性・ゼロせん断粘度・弾性回復

骨材

・荷重に対しての耐久性を考( )慮 硬さ

・締固め特性への影響を考( )慮 形状

(・内部摩擦力を考慮 表面粗)さ

・すり減り減量・軟らかい砕石含有率

・細骨材の内部摩擦・細骨材の針状度・粗骨材表面のマイクロテクスチャ

種類・要求性能を考慮し，永久変形抵抗性の高い混合物種を利用

SMA・排水性， ，大粒径・アスファルトの選定 －

配合設計・骨材骨格を形成させ，骨材どうしのかみ合わせ効果を発現

・バインダ量・最大粒径2.36mm・ ふるい通過量0.075mm・ ふるい通過量

・容積配合設計VMA VCA・ ，・空隙率・粗骨材接点

着目すべき指標

材料

考慮すべき要因 留意点

混合物

以上です。以上です。