引張作用に対するアスファルトコンクリートの応力緩和と 破壊抵抗性に関する一検討 長岡技術科学大学 大学院 建設工学専攻 長岡技術科学大学 大学院 環境・社会基盤工学専攻 1. ○小林 龍平 高橋 修 はじめに アスファルトコンクリート（アスコン）層は，何らかの引張作用によってひび割れが生じる．地震 や崩落等の突発的な外乱でない限り，通常は内部応力の変化によって引張変形が徐々に増加し，やが て破断ひずみに達するとひび割れが生じる．そして，そのひび割れは，さらなる応力変化によって面 内方向や深さ方向に進展していく． 例えば，輪荷重によるボトムアップクラックやトップダウンクラックもそうであり，温度低下によ るサーマルクラックも徐々に進展するひび割れの一種である．このような経時的な内部応力の変化に よるひび割れの発生と進展においては，アスコンの内部応力とひずみは粘弾性挙動を呈するため，ア スコンの応力緩和性状の影響が及ぶものと考えられる．応力緩和が大きいと，例えば引張の場合，材 料の引張ひずみの速度が低くなったり，あるいはゼロになったりすると，材料は伸びているにも関わ らず，応力が急激に低下してしまうことになる．当然のことながら，応力緩和の程度が異なれば内部 応力の状態も異なることとなり，結果的に破壊に達するまでの変形の過程も異なることが予想される． アスコンのひび割れ抵抗性を評価する場合，一般に定ひずみ速度で変形を与える曲げ試験や間接引 張試験，直接引張試験によって判断している．これらの試験結果から得られる評価値は，アスコン供 試体の応力緩和を反映していないことから，時間的に不規則な変形プロセスにおけるアスコンの破壊 抵抗性を十分に評価していることにならない． 本検討では，アスコンの応力緩和性能を考慮できるように，ひずみ速度が低く，かつ変動する引張 試験を実施して，各種アスコンのひび割れ抵抗性を評価した．ここでは，アスファルトバインダの種 類を変化させた密粒度アスコンを用意し，繰り返し直接引張試験を行って，応力緩和と破壊時ひずみ の関係に着目して結果を比較した．本検討の目的は，引張に対する破壊時のひずみを，応力緩和性能 を考慮して評価し，定ひずみ速度の試験による破壊時のひずみとの違いを把握することである． 2. 使用材料及び供試体 試験用供試体に使用したアスファルトはストレートアスファルト 60/80（ストアス）とポリマー改 質アスファルトⅡ型（改質Ⅱ型）の 2 種類である．骨材は，粒径が 5～13 mm の 6 号砕石，粒径が 2.5 ～5 mm の 7 号砕石，粗砂，細砂，石粉であり，これらはすべて新潟県産のものである．そして，ア スファルト混合物の種類は密粒度アスファルト混合物（13）とした． 供試体の作製は，舗装施工・試験法便覧「B003 ホイールトラッキング」試験 1)に準拠した．ホイー ルトラッキング試験に使用する供試体の作製用型枠に厚さ 10mm の鉄板を敷き，幅 300mm×高さ 40mm×長さ 300mm となるアスコンブロックを作製した．そして，定ひずみ速度の直接引張試験，繰 返し直接引張試験で使用できるように，既往の研究 2）と同様にダイヤモンドカッタで幅 40mm×高さ 40mm×長さ 240 mm の寸法に 4 面カットして供試体を整形した． 3. 直接引張試験による破壊時ひずみの評価 供試体にはエポキシ樹脂で直接引張試験用の治 表-1 定ひずみ速度の直接引張試験の条件 具に固定した．使用した試験機は静的万能試験機 項目 試験条件 である．引張作用に対する破壊ひずみについて， 応力緩和の影響を評価するために 2 種類の引張試 験を実施した．実施した試験は，定ひずみ速度の 直接引張試験，繰返し直接引張試験である．定ひ 供試体寸法（mm） 40×40×240 試験温度（℃） 25 変位速度（mm/min） 1.0 ずみ速度の直接引張試験では単純引張に対するア スコンの破壊抵抗性を評価した．また，応力緩和 を考慮したアスコンの破壊抵抗性の評価方法は標 表-2 繰返し直接引張試験の条件 準化されていないため，段階的に引張りを与える 項目 繰返し直接引張試験を独自に考案し，応力緩和を 考慮したアスコン破壊抵抗性を検討した． 3.1 定ひずみ速度の直接引張試験 直設引張試験は既往の研究 2) と同様の方法で行 供試体寸法（mm） 試験条件 40×40×240 試験温度（℃） 25 変位速度（mm/min） 1.0 った．供試体に球面ナットの治具を取り付け，こ 与えるひずみ（ε f × x %）x＝10，30，50，70 れを球体ホルダーに引っ掛けて固定し，ホルダー 変位固定時間（min） 30 を下方向に移動させることにより引張応力を発生 させた.供試体は恒温槽で 5 時間以上養生した表 -1 に定ひずみ速度の直接引張試験の試験条件を 示す． 3.2 繰返し直接引張試験 繰返し直接引張試験では定ひずみ速度直接引張 試験と同様の方法で引張応力を発生させた．定ひ ずみ速度の直接引張試験で得られた破壊時ひずみ を𝜀𝑓 とすれば，その 10～70％のひずみを供試体に 与え，その後この状態を 30 分保持し，変位を固定 することによって応力緩和を促し，供試体の内部 図-1 繰返し直接引張試験結果の概念 応力が低下していく過程を記録した． 表-2 に繰返し直接引張試験の試験条件を示す．また，図-1 に繰返し直接引張試験における応力とひ ずみの経時変化の概念を示す．ここでは，破壊の定義を，最大応力𝜎′𝑚𝑎𝑥 の 1/2 以下になったときのひ ずみとし，破壊時ひずみ𝜀′𝑓 と定義した この破壊時ひずみ𝜀′𝑓 を繰返し直接引張試験の評価指標と考え，定ひずみ速度の直接引張試験による 破壊時ひずみ𝜀𝑓 と比較した．両者を比較することにより，応力緩和を考慮した場合に，破壊時ひずみ の違いを定量的に確認できる． 4. 試験結果，および考察 4.1 定ひずみ速度の直接引張試験 定ひずみ速度における直接引張試験の試験 結果を図-2 に示す．ストアス及び改質Ⅱ型を 使用した供試体とも同様にひずみの増加によ って応力が大きくなってピークを経てその後 低下している．このピーク応力時のひずみ値 を𝜀𝑓 とした．破壊時の応力は改質Ⅱ型の方が 大きいが，破壊ひずみはストアスを使用した 図-2 直接引張試験の内部応力とひずみの関係 図-3 繰返し直接引張試験結果（ストアス，𝜀𝑓 ×30％） アスコンのほうが大きい．この結果から，ス トアス使用の場合は𝜀𝑓 を 15765μ，改質Ⅱ型の 場合は𝜀𝑓 を 14363μ と決定した． 4.2 繰返し直接引張試験 定ひずみ速度の直接引張試験の破壊時ひず み𝜀𝑓 の 30％（𝜀𝑓 ×30％）を繰り返して与えた 場合の，経過時間による応力とひずみの関係 を図-3 に示す．破壊ひずみ𝜀𝑓 の 50％（𝜀𝑓 ×50％） を繰返し与えた場合の経過時間による応力と ひずみの関係を図-4 に示す．使用したアスフ ァルトバインダはストアスである．ひずみを 増加しているプロセスでは応力が大きくなる が，ひずみ増加を休止すると急激に応力が低 下している．繰返し直接引張試験での破壊ひ ずみ𝜀′𝑓 について比較してみると，𝜀𝑓 ×30％を 繰り返して与えた方が𝜀𝑓 ×50％を与えた場合 よりも破壊時ひずみ𝜀′𝑓 が大きい．𝜀𝑓 ×30％の 場合は𝜀′𝑓 が 33862μ であり，𝜀𝑓 ×50％の場合は 𝜀′𝑓 が 26798μ である．𝜀𝑓 ×10％の場合，𝜀𝑓 ×70％ 図-4 繰返し直接引張試験結果（ストアス，𝜀𝑓 ×50％） の場合においても𝜀′𝑓 は多少異なる結果であ った．これらによって，結果から，繰り返し て与えるひずみの量によって破壊ひずみ𝜀′𝑓 が異なることが分かった．図-5 は，改質Ⅱ型 を使用たストアスコンで，𝜀𝑓 ×30％のひずみ繰 り返してを与えた場合の，経過時間による応 力とひずみの変化を示したものである． 図-3 と図-5 を比較すると，改質Ⅱ型を使用 したほうが発生する応力は大きい傾向であ った．この場合の破壊ひずみ𝜀′𝑓 は 27661μ 図-5 繰返し直接引張試験結果（改質Ⅱ型，𝜀𝑓 ×30％） であった．ストアスを使用した場合は，ひず み増加を休止すると応力が緩和してゼロ近く まで低下するが，改質Ⅱ型を使用した場合は， 応力が急激に緩和して低下しているものの， ゼロ近くまでには低下していない．しかし段 階的にひずみを増加して応力緩和を繰り返し ていくと，徐々にゼロ近くまで緩和して破壊 に至っている． ここで注意を要するのが，ストアスを使用 した場合と改質Ⅱ型を使用した場合では，定 ひずみ速度での破壊時ひずみ𝜀𝑓 が異なってい 図-6 応力緩和を考慮した場合の破壊ひずみの関係 たため，図-3 と図-5 に示した結果では段階的に与えているひずみも異なっているということである． 次に，繰返し直接引張試験と定ひずみ速度の引張試験の関係について検討する．図-6 は縦軸に繰返 し直接引張試験の破壊時ひずみ𝜀′𝑓 と定ひずみ速度の直接引張試験の破壊時ひずみ𝜀𝑓 の比（𝜀′𝑓 /𝜀𝑓 ）を表 し，横軸に供試体に与えたひずみ（𝜀𝑓 ×10～70％）を表示したものである． 𝜀′𝑓 /𝜀𝑓 ＝1.0 のときは，定 ひずみ速度の条件でも段階ひずみ増加条件でも破壊時ひずみは同じであり，応力緩和の影響がほとん どないことを示す．𝜀′𝑓 /𝜀𝑓 >1.0 のときは，応力緩和の影響により破壊時ひずみが大きくなったことを意 味する．このように評価すると，応力緩和を考慮した繰返し直接引張試験ではすべての条件で定ひず み速度の直接引張試験よりも破壊時ひずみが大きくなり，応力緩和の影響を確認することができる． 最も破壊時ひずみ𝜀′𝑓 が大きくなった条件はストアスで供試体に与えた段階ひずみが𝜀𝑓 ×30％の場合で ある．全体を比較するとこの条件を除いて，与えたひずみが𝜀𝑓 ×10％，30％，50％の場合はアスファ ルトバインダの種類に関係なく，𝜀′𝑓 /𝜀𝑓 は 1.8 前後である．ただし，繰り返して与えるひずみが𝜀𝑓 ×70％ の場合は𝜀′𝑓 /𝜀𝑓 は 1.2 程度に低下している．このことから，ひずみレベルが小さい範囲で変形作用が変 動している場合は，応力緩和の効果が大きく影響して破壊時ひずみは大きくなることが考察される． 5. まとめ 本検討では，定ひずみ速度の直接引張試験と応力緩和を考慮した繰返し直接引張試験を実施し，両 者の結果を比較して破壊抵抗性の差異について評価した．以下に得られた知見をまとめる． (1) ストアスあるいは改質Ⅱ型を使用した密粒度アスコンは応力緩和が大きく，ひずみ増加を休止す ると急激に応力が低下する．ストアスを使用した場合は応力がほぼゼロになるまで低下するが，改 質Ⅱ型を使用した場合は，応力はわずかに留意してゼロとはならない． (2) ひずみレベルが小さい範囲で引張作用が経時的に変動している場合は，密粒度アスコンには応力 緩和の効果が大きく影響して，単純な引張作用の場合よりも破壊時ひずみは大きくなる．この傾向 は，ストアスを使用した場合，改質Ⅱ型を使用した場合ともにみられる． 参考文献 (1) (社)日本道路協会：舗装・調査試験法便覧〔第 3 分冊〕，p.p.39-56, 2007. (2)吉田隆輝，高橋正一：アスファルト混合物の直接引張試験について，土木学会第 49 回年次学術講 演会講演概要集，第 5 部，pp.66-67，1994．
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