Rheological Benchmarking of GTR-Modified Asphalt Binder as a Sustainable Alternative to SBS Modification

技術要約：GTR改質アスファルトバインダーのレオロジー・ベンチマーキング

問題提起
スチレン・ブタジエン・スチレン（SBS）は、アスファルトのレオロジー特性を向上させ、特に激しい交通量や厳しい環境条件下でのクラック（ひび割れ）およびわだち掘れに対する抵抗性を高めるために、石油由来の熱可塑性エラストマーとして広く使用されている。しかし、SBSは特許取得済みの製品であり、建設プロジェクトの費用を大幅に増大させる高コストな要因となっている。対照的に、廃タイヤから得られる廃タイヤゴム（GTR）は、持続可能でコスト効率の高い代替案であり、アスファルトの性能を向上させると同時に、ライフサイクルにおける温室効果ガス排出量を削減できる。これらの潜在的な利点にもかかわらず、GTR改質バインダーが特定の地域で広く普及していない理由の一つとして、その性能特性が確立されたSBS改質バインダーと比較してどのように異なるかという、経験的な理解が限られていることが挙げられる。GTRが高性能舗装アプリケーションにおいて実行可能な代替手段となり得るかを判断するための、GTRとSBSを比較検討するベンチマーク研究が不足している。

手法
本研究の目的は、商業用SBS改質バインダーと同等のレオロジー特性をもたらす、AC-20グレードのアスファルトバインダーに対する最適なGTR添加量を特定することである。

• 材料： 研究者はAC-20ベースのビットメンを使用。GTRは6年経過した横浜タイヤのスクラップから製造され、75 µmから300 µmの範囲の粒子に加工された。コントロールとして、1%、2%、および3%のSBSを含む商業用SBS改質バインダー（それぞれSuperpaveグレード PG 70-22、PG 76-22、PG 82-22に対応）を使用した。
• 調製： GTRを高速撹拌ミキサー（5000 rpmで45分間）を用い、2%から12%（2%刻み）の添加量でAC-20ビットメンに混合し、その後165°Cで2時間の熟成期間を設けた。
• コンディショニング： サンプルは、短期老化のためのローリング・シン・フィルム・オーブン（RTFO）および長期老化のための圧力老化容器（PAV）を含む、Superpave老化コンディショニングを経た。
• 試験： レオロジー特性評価は、AASHTOおよびASTM規格に従って実施された：
  • わだち掘れ抵抗性： 未老化およびRTFO老化サンプルにおける複素剪断弾性率（$|G^*|/\sin\delta$）について動的剪断レオメーター（DSR）を用いて評価し、さらに複数応力クリープ回復（MSCR）試験（AASHTO M332）により非回復クリープコンプライアンス（$J_{nr}$）および応力感受性を決定した。
  • 疲労クラック： PAV老化サンプルを用いたDSRにより、疲労パラメータ（$|G^*|\cdot\sin\delta$）を評価した。
  • 熱クラック： ベンディングビームレオメーター（BBR）を用いて、剛性（$S$）および剛性の変化率（$m$値）を測定し、熱クラックを評価した。
  • 化学分析： 分子構造の変化や化学的相互作用を検出するために、フーリエ変換赤外分光法（FTIR）を実施した。

主な結果

• わだち掘れ抵抗性： GTR添加量の増加に伴い、わだち掘れ抵抗性が向上した。70°Cにおいて、10%（G10）および12%（G12）のGTR改質バインダーは、未老化バインダーのSuperpaveわだち掘れ基準を満たし、SBS改質バインダーと同等の性能を示した。RTFO老化サンプルを用いたMSCR試験において、G10およびG12は、すべてのSBSコントロールと同様に「極限（Extreme）」交通荷重グレードを達成した。しかし、G12は$J_{nr}$の差が99.57%に達し、応力感受性の閾値である75%を超えたため、不安定性を示す可能性がある。G10は、極限交通要件を満たしつつ、許容可能な$J_{nr}$の差（50.60%）を維持した。
• 疲労クラック： GTR改質は、疲労パラメータ（$|G^*|\cdot\sin\delta$）を一貫して減少させ、疲労抵抗性の向上を示した。31°Cにおいて、G10バインダーは1% SBSバインダー（PG 70-22）と比較して、疲労パラメータが124.9%減少した。G10は22°CでのSuperpaveクラック基準を正常に満たしたが、1%および2%のSBSバインダーはこれに失敗した。
• 熱クラック： G10バインダーは、1% SBSバインダー（剛性156 MPa、 $m$値0.34）と比較して、低い剛性（98 MPa）と良好な$m$値（0.36）を示した。この組み合わせは、優れた柔軟性と応力緩和を示唆しており、SBSコントロールよりも優れた熱クラック抵抗性をもたらす。
• 化学的相互作用： FTIR分析の結果、ベースバインダーと比較して、GTR改質バインダーにおける検出可能な化学的変化や新しい官能基は認められなかった。性能の向上は、化学的改質ではなく、粒子の分散や膨潤などの物理的相互作用に起因していた。

結論および意義
本研究は、AC-20バインダーの改質における最適な含有量は10%のGTR添加量であると結論付けている。この添加量は、わだち掘れ、疲労クラック、および熱クラック抵抗性においてバランスの取れた改善を提供し、1% SBS改質バインダー（PG 70-22）に対して効果的なベンチマークとなる。12%のGTRは同様のわだち掘れ抵抗性を示したが、その高い応力感受性から、10%が実用的な上限となる。

本研究の意義は、SBSの持続可能な代替品としてGTRを利用することの実現可能性を実証した点にある。知見は、GTR改質がバインダーの化学的変化を伴わずに、低用量のSBS改質と同等またはそれ以上のレオロジー特性を達成できることを示唆している。これは、高い舗装性能を維持しながら、建設コストを削減し、廃棄タイヤを埋め立てから転換するための経路を提供するものである。著者らは、本研究においては10%が最適であると決定したが、実際の適用においては、現地の材料源に基づいた実験的な決定が必要になる可能性があると述べている。