Experimental and Life Cycle assessment of RAP modified with Fe2O3 and Waste Cooking Oil Admixtures

技術要約：Fe2O3および廃食油添加剤で改質されたRAPの実験的評価およびライフサイクルアセスメント

問題提起
アスファルト舗装は、交通量の増加、施工の不備、および環境要因に起因する、低温時の熱亀裂、高温時のわだち掘れ、および水分損傷などの劣化に頻繁に悩まされている。添加剤は性能を向上させることができるが、単一の改質材では全ての特性を同時に向上させることは困難である。さらに、道路建設業界は天然資源とエネルギー集約型のプロセスに大きく依存しており、環境汚染の主要な要因となっている。再生アスファルト舗装（RAP）、廃食油（WCO）、およびナノFe2O3は個別に研究されてきたが、RAP混合物におけるこれら複合的な適用、およびそれらの組み合わせによる機械的・環境的影響の系統的な定量化に関する研究は不足している。

方法論
本研究では、RAPアスファルト混合物の評価のために、二重添加剤による改質アプローチを採用した。以下の5種類の異なる混合物を調製し、試験を行った：

1. コントロール混合物（バージンアスファルト）。
2. RAP混合物（RAP 20%）。
3. 様々な添加量（5%、7%、9%）の廃食油（WCO）で改質されたRAP混合物。
4. 様々な添加量（2%、3%、4%）のナノFe2O3で改質されたRAP混合物。
5. ナノFe2O3とWCOの複合体を用いたRAP混合物。

実験的評価：

• 試料調製： 乾燥混合法を用いた。骨材を175°Cに加熱して添加剤と混合した後、160–170°Cのバージンビットメン（グレード60/70）を加え、最後にフィラーを加えた。
• 機械的試験：
  • マーシャル試験： 最適結合材含有量、安定度、流動値、密度、および空隙率を決定した。
  • ホイールトラッキング（ハンブルグ）： 60°C、0.7 MPaの圧力下でのわだち掘れ抵抗性を評価した。
  • マーシャル浸漬試験： 水分損傷抵抗性（水分感受性比 - MSR）を評価した。
  • 間接引張強度（ITS）： -5°Cにおける低温亀裂抵抗性を測定した。
• ライフサイクルアセスメント（LCA）：
  • 機能単位： 長さ1 km × 幅1 mの表層（設計寿命15年、1日あたり車両数20,000台）。
  • システム境界： 原材料の生産、ビットメン混合物の製造、輸送、および表層の施工を含めた。設計、使用、および廃棄段階は除外した。
  • ツールおよびデータ： SimaPro 9.1.0ソフトウェア、Ecoinventデータベース（V 3.6）、およびCML2001影響評価法を使用。
  • 影響カテゴリー： 全地球温暖化係数（GWP）、酸性化（AP）、富栄養化（EP）、オゾン層破壊（OLD）、および各種毒性ポテンシャルを含む10のカテゴリーを評価した。

主な結果

• 機械的性能：
  • わだち掘れ抵抗性： ナノFe2O3は、わだち掘れ抵抗性を大幅に向上させた。複合混合物（M8）は最大の改善を示し、コントロールと比較してわだち掘れ深さを38.60%減少させた。WCO単独では、わだち掘れ深さがわずかに増加した。
  • 低温亀裂： WCOは、ナノFe2O3と比較して熱亀裂抵抗性に対して優れた効果を示した。複合混合物（M8）は最高の間接引張強度（ITS）を記録し、コントロールに対して30.21%向上した。
  • 耐水性： ナノFe2O3は、WCOよりも水分損傷抵抗性に対して大きな影響を示した。複合混合物（M8）は最高の水分感受性比（MSR）を達成し、コントロールに対して8.24%増加した。
  • 最適添加量： マーシャル試験の結果に基づき、単一改質混合物の最適添加量として、4%のナノFe2O3（M4）および9%のWCO（M7）が特定された。
• 環境性能（LCA）：
  • 単一改質材： RAP混合物（M1）は、コントロールと比較して全てのカテゴリーにおいて環境影響を改善した。ナノFe2O3混合物（M4）は、改質混合物の中で最も優れた全体的な環境プロファイルを示したが、EP、GWP、TETP、およびOLDのカテゴリーにおいて軽微な負の影響を示した。WCO混合物（M7）もプロファイルを改善したが、同様のカテゴリーにおいて負の影響を示した。
  • 複合改質材： 複合混合物（M8）は、一般にコントロールと比較して環境プロファイルを改善したが、他の改質混合物と比較して、いくつかのカテゴリー（TETP、AP、EP、OLD、GWP）において最大の負の影響を示した。
  • プロセス寄与： ビットメン生産は、AP、EP、GWP、HTP、FWETP、MAETP、およびPOFPの主要な要因であった。アスファルト混合物の製造はOLDへの影響を、輸送はADPおよびTETPへの影響を駆動した。
  • 重み付け： カナダのパネル重み付け法を用いた結果、全ての改質混合物は、コントロール混合物よりも低い全体的な環境影響を示した。ナノFe2O3改質混合物（M4）が最も低い全体的な環境影響を示し、次いで複合混合物（M8）であった。

意義および主張
著者らは、本研究がWCOとナノFe2O3の両方を用いたRAPアスファルトの複合改質に関する最初の系統的な調査を提供すると主張している。本研究は、単一の添加剤には特定の強み（ナノFe2O3はわだち掘れと水分への効果、WCOは低温亀裂への効果）がある一方で、複合的なアプローチが、わだち掘れ抵抗性、水分安定性、および熱亀裂抵抗性を同時に大幅に強化し、最善の総合的な機械的性能をもたらすことを実証している。

環境の持続可能性に関しては、複合混合物が優れた機械的特性を提供する一方で、重み付けされた影響カテゴリーを考慮すると、単一のナノFe2O3改質が最も好ましい全体的な環境プロファイルを提供すると結論付けている。論文は、複合添加剤が環境の持続可能性を損なうことなく、アスファルト混合物の全体的な効率とサービス寿命を向上させるための実行可能な戦略であることを断言しており、エジプトや同様の文脈における道路建設政策の意思決定をサポートするデータを提供している。著者らは、全ての混合物の特性を単一の添加剤で高めることはできないため、複合的な解決策が必要であると強調している。