アスファルトセメント

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背景

アスファルトは、ビチューメンと呼ばれる炭化水素のいくつかの混合物の1つである、濃い茶色から黒色の鉱物物質です。アスファルトは、さまざまな用途に適応する、強力で用途の広い耐候性および耐薬品性の結合材料です。アスファルトは、砕石と砂利（一般に骨材として知られています）を道路、道路、空港の滑走路用の固くて丈夫な表面に結合します。ミネラルピッチとしても知られるアスファルトは、天然アスファルトやブレアなどの天然堆積物から、または石油産業の副産物（石油アスファルト）として得られます。先史時代の動物の骨格は、天然のアスファルト堆積物に完全に無傷で保存されています。最も有名なものの1つは、カリフォルニア州ロサンゼルスのラブレアタールピットです。

アスファルトは、文明の始まりから使用されてきた世界最古のエンジニアリング材料の1つです。紀元前6000年頃<小> シュメール人は、コーキングと防水のためにアスファルトを製造して使用する造船業が盛んでした。早くも2600 B.C. エジプト人は、防水材として、また防腐剤としてミイラの包装を含浸させるためにアスファルトを使用していました。古代文明は、寺院、灌漑システム、貯水池、および高速道路で使用されるブロックを構築および舗装するためのモルタルとしてアスファルトを広く使用していました。初期の文明で使用されていたアスファルトは自然に発生し、地層では柔らかくて機能するモルタルとして、または岩層の硬くて脆い黒い静脈（アスファルト石炭としても知られています）として発見されました。天然アスファルトは、原油が亀裂や亀裂を通って地表に到達したときに形成されました。太陽と風の作用により、軽い油とガスが追い出され、黒い残留物が残りました。天然アスファルトは1900年代初頭まで広く使用されていました。原油からの精製アスファルトの発見と自動車の人気の高まりは、アスファルト産業を大きく拡大するのに役立ちました。現代の石油アスファルトは、天然に存在するアスファルトと同じ耐久性を備えており、有機不純物や鉱物不純物を含まない均一な状態に精製されるという利点があります。

現在生産されている石油アスファルトのほとんどは、高速道路の舗装に使用されています。アスファルト舗装材は、アスファルトセメント、砂、砕石のくすんだ黒い混合物です。加熱された後、それは路盤に熱く蒸し出され、水平にすくい上げられ、そして重い蒸気ローラーによって圧縮されます。アスファルトは、コンクリート道路の伸縮継手やパッチにも使用されます。空港の滑走路、テニスコート、遊び場、建物の床もすべてアスファルトを使用しています。ロードオイルと呼ばれる軽い形の石油アスファルトが道路に噴霧され、ほこりを沈殿させ、砂利を結合します。アスファルトのもう1つの主な用途は、アスファルトの屋根板とロール屋根です。これらは通常、アスファルトで飽和したフェルトで構成されています。アスファルトは、屋根材の保存と防水に役立ちます。アスファルトの他の用途には、次のものがあります。トンネル、橋、ダム、貯水池の防水。防錆および防音の金属パイプおよび自動車のアンダーボディ。防音壁と天井。

原材料

現代のアスファルト製造で使用される原料は、天然の石油です。 発生する液体ビチューメン。アスファルトは石油の天然成分であり、ほぼ完全にアスファルトである原油があります。油井は原油を石油精製所に供給し、そこでさまざまな成分または留分に分離されます。

製造
プロセス

原油は、石油精製所での蒸留プロセスによってさまざまな留分に分離されます。分離後、これらの画分は、アスファルト、パラフィン、ガソリン、ナフサ、潤滑油、灯油、ディーゼル油などの他の製品にさらに精製されます。アスファルトは原油のベースまたは重質成分であるため、蒸留プロセス中に蒸発または沸騰することはありません。アスファルトは本質的に石油精製プロセスの重い残留物です。

原油の蒸留

• 1精製プロセスは、原油を貯蔵タンクから熱交換器またはチューブヒーターに配管することから始まり、そこで最初の蒸留のために温度が急速に上昇します。次に、大気蒸留塔に入り、そこでより軽く、より揮発性の高い成分または留分が気化し、一連の凝縮器および冷却器を通って排出されます。次に、ガソリン（「軽質」留出物と見なされる）、灯油（「中」留出物と見なされる）、ディーゼル油（「重質」留出物と見なされる）、および他の多くの有用な石油製品にさらに精製するために分離されます。

  この大気圧蒸留プロセスからの重い残留物は、一般にトッピング原油と呼ばれます。このトッピングされた原油は、燃料油に使用することも、アスファルトなどの他の製品にさらに加工することもできます。真空蒸留は、いわゆる「直留」アスファルトを生成するのに十分な高沸点留分を除去する可能性があります。ただし、トッピングされた原油に、蒸留では経済的に除去できない十分な低揮発性成分が含まれている場合は、目的の濃度のアスファルトセメントを製造するために、溶剤抽出（溶剤脱アスファルトとも呼ばれます）が必要になる場合があります。

削減

• 2次に、アスファルトを揮発性物質とブレンドまたは「カットバック」して、純粋なアスファルトセメントよりも低温で柔らかく、作業可能な製品を作成することができます。カットバックアスファルトを舗装や建設に使用する場合、空気や熱にさらされると揮発性元素が蒸発し、硬いアスファルトセメントが残ります。切削剤の蒸発の相対速度または揮発性により、カットバックアスファルトが低速、中速、または急速硬化のいずれに分類されるかが決まります。加熱されたアスファルトセメントは、低速硬化アスファルトの場合は初期の蒸留プロセスからの残留アスファルト油、中硬化の場合は灯油、急速硬化アスファルトの場合はガソリンまたはナフサと混合されます。

乳化

• 3アスファルトセメントを乳化して液体を生成することもできます。この液体は、パイプから簡単に汲み上げたり、骨材と混合したり、ノズルからスプレーしたりできます。乳化するために、アスファルトセメントは5〜10ミクロン以下の小球に粉砕されます（1ミクロンは100万分の1メートルに相当します）。これは水と混合されます。乳化剤を添加することで、アスファルトと水が分離する傾向を軽減します。乳化剤は、コロイド状粘土、可溶性または不溶性のケイ酸塩、石鹸、またはスルホン化植物油であり得る。

粉砕

• 4アスファルトを粉砕して、粉末アスファルトを製造することもできます。アスファルトを粉砕し、一連の細かいメッシュのふるいに通して、顆粒のサイズを均一にします。動力付きアスファルトは、道路用オイルや骨材と混合して舗装工事を行うことができます。道路の熱と圧力は、粉末を骨材と結合油とゆっくりと融合させ、 物質は、通常のアスファルトセメントと同様の粘稠度に硬化します。

エアブロー

• 5アスファルトを屋根、パイプコーティングなどの舗装以外の目的で使用する場合、またはアンダーシーラントや防水材として使用する場合は、アスファルトが酸化したり、空気が吹き付けられたりすることがあります。このプロセスにより、舗装アスファルトよりも高温で軟化する材料が生成されます。製油所、アスファルト処理プラント、または屋根材プラントでエアブローされる場合があります。アスファルトは500°F（260°C）に加熱されます。次に、空気を1〜4.5時間バブリングします。冷却すると、アスファルトは液体のままになります。

アスファルト舗装混合物

アスファルトセメントは道路舗装に使用される主成分であるため、以下に簡単に説明します。 アスファルト混合物には、ホットミックスとコールドミックスの2種類があります。ホットミックスアスファルト（HMA）は一般的に交通量の多いエリアに使用され、コールドミックスアスファルトは二次道路に使用されます。アスファルト舗装混合物がどのように製造されるかの説明。アスファルトセメントで作られたアスファルト舗装混合物は、通常、アスファルト混合施設で調製されます。アスファルトミックスには、ホットミックスとコールドミックスの2種類があります。ホットミックスアスファルト（HMA）がより一般的に使用されますが、コールドミックスアスファルト（通常、乳化アスファルトまたはカットバックアスファルトで作られた混合物）は、通常、軽度から中程度の交通量の二次道路、または遠隔地やメンテナンスで使用されます。ホットミックスアスファルトは、アスファルトセメントでコーティングされた適切な骨材の混合物です。 「ホットミックス」という用語は、混合前に骨材とアスファルトを加熱して骨材から水分を除去し、適切な混合と作業性のためにアスファルトセメントの十分な流動性を得るプロセスに由来します。

• 6アスファルトセメントと骨材は混合施設で組み合わされ、そこで加熱され、比例配分され、混合されて、目的の舗装混合物が生成されます。ホットミックス施設は恒久的に設置されている場合もあれば（「固定」施設とも呼ばれます）、持ち運び可能で仕事から仕事へと移動する場合もあります。ホットミックス施設は、バッチ施設またはドラムミックス施設のいずれかに分類でき、どちらも固定式またはポータブルのいずれかになります。バッチタイプのホットミキシング施設は、貯蔵ビンから比例した量で引き出されるホットアグリゲートのさまざまなサイズのフラクションを使用して、ミキシング用の1つのバッチを構成します。骨材の組み合わせは、パグミルと呼ばれる混合チャンバーに捨てられます。同じく計量されたアスファルトは、パグミルで骨材と完全に混合されます。混合後、材料はパグミルからトラック、貯蔵サイロ、またはサージビンに排出されます。ドラム混合プロセスは、ドラムミキサーで骨材とアスファルトを同時に加熱して混合します。
• 7混合が完了すると、ホットミックスは舗装現場に運ばれ、舗装機で部分的に圧縮された層に均一で均一な表面に広げられます。まだ熱いうちに、舗装混合物は重い圧延機によってさらに圧縮され、滑らかな舗装表面を生成します。

品質管理

アスファルトセメントの品質は、それが製造された石油原油の固有の特性に影響されます。油田や地域が異なれば、特性も大きく異なる原油が生産されます。精製方法は、アスファルトセメントの品質にも影響します。エンジニアリングと建設の目的で、考慮すべき3つの重要な要素があります。一貫性。特定の温度、純度、および安全性におけるアスファルトの粘度または流動性の程度とも呼ばれます。

アスファルトセメントのコンシステンシーまたは粘度は温度によって変化し、アスファルトは標準温度でのコンシステンシーの範囲に基づいて等級分けされます。不注意な温度と混合制御は、道路での長年の使用よりもアスファルトセメントにさらに硬化損傷を引き起こす可能性があります。舗装アスファルトのコンシステンシーを測定するために、標準化された粘度または浸透試験が一般的に指定されています。エアブローアスファルトは通常、軟化点試験を使用します。

アスファルトセメントは、ほぼ完全に二硫化炭素に可溶なビチューメンで構成されているため、純度を簡単にテストできます。精製アスファルトは通常、二硫化炭素に99.5％以上溶解し、残っている不純物は不活性です。二硫化炭素は可燃性であるため、アスファルトセメントの優れた溶剤でもあるトリクロロエチレン（TCE）を溶解度純度試験に使用します。

アスファルトセメントは、製油所を出るときに水や湿気があってはなりません。ただし、アスファルトを積んでいる輸送機関では、タンク内に水分が存在する可能性があります。これにより、アスファルトが100°C（212°F）を超えて加熱されると発泡する可能性があり、これは安全上の問題です。仕様では通常、アスファルトが最高347°F（175°C）の温度で発泡しないことが求められています。アスファルトセメントは、十分に高い温度に加熱されると、煙を放出し、火花または裸火の存在下で点滅します。これが発生する温度は引火点と呼ばれ、舗装作業で通常使用される温度をはるかに上回っています。アスファルトが発泡する可能性があり、十分な安全マージンを確保するために、アスファルトの引火点が測定および制御されます。

アスファルトセメントのもう1つの重要な工学的特性は、その延性です。これは、材料が引っ張られたり、引っ張られたり、変形したりする能力の尺度です。アスファルトセメントでは、延性の有無が実際の延性よりも重要です。これは、延性の高いアスファルトセメントの中には温度に敏感なものもあるためです。延性は「伸び」試験によって測定されます。この試験では、標準的な条件と寸法で成形された標準的なアスファルトセメントブリケットが、張力下で破損するまで標準温度（通常は77°F [25°C]）で引っ張られます。アスファルトセメントサンプルが破損する伸びは、サンプルの延性の尺度です。

副産物/廃棄物

環境保護法は、石油精製所やアスファルト処理プラントからの水の流れと粒子状物質および煙の排出を制限する厳格な規則を策定しました。ほこりだけでなく、二酸化硫黄、煙、およびその他の多くの排出物を厳密に管理する必要があります。電気集じん器、単一または複数のコーンサイクロンを使用する一次集塵機、および一般に「バグハウス」と呼ばれるファブリックフィルターコレクターで構成される二次集塵装置はすべて、排出を制御するために必要な機器です。アスファルト製造で生成された炭化水素は、チェックされていない場合、空気を汚して暗くする臭気のある煙や汚染物質を生成します。アスファルト製造から排出される汚染物質は、排気ガスを捕捉し、加熱プロセスを通じて再循環させるエンクロージャーによって制御されます。これにより、汚染が排除されるだけでなく、プロセスの加熱効率も向上します。

アスファルトセメント、石、砂のコストが高いため、業界は効率を高め、古いアスファルト舗装をリサイクルする必要があります。アスファルト舗装のリサイクルでは、古い舗装から再生利用された材料を新しい材料と一緒に再処理します。アスファルトリサイクルの3つの主要なカテゴリーは、1）再生材料を中央プラントで新しい材料と組み合わせてホットミックス舗装混合物を生成するホットミックスリサイクル、2）再生材料を新しい材料と組み合わせるコールドミックスリサイクルです。オンサイトまたは中央プラントでコールドミックスベース材料を製造します。3）表面リサイクル。古いアスファルト表面舗装を所定の位置で加熱し、削り取るか「怖がらせ」、再混合し、再敷設し、圧延します。老朽化したアスファルトを希望の仕様に戻すために、有機アスファルトリサイクル剤を添加することもできます。

溶剤の蒸発と揮発性のため、カットバックアスファルト、特にガソリンやナフサを使用する急速硬化カットバックアスファルトの使用は、コストと環境規制のために乳化アスファルト（水のみが蒸発する）の使用が制限または禁止されるようになっています。

未来

経済的および環境的ニーズの高まりは、マイクロ波を使用して舗装を完全に破壊するなど、古いアスファルト舗装のリサイクルに多くの新しい技術的改良をもたらすでしょう。マイクロ波は、アスファルト舗装の砕いた岩を周囲のセメントよりも速く加熱し、その後、岩からの輻射熱によって暖められます。この方法は、アスファルトセメントの燃焼を防ぎます。

下水汚泥の液化による合成アスファルトの製造など、代替の原料源が研究されています。一貫した製品品質を確保するために、改質アスファルトとエマルジョンを製造するための新しい方法が開発されています。アスファルトの特性評価に役立つ多くの新しいテストが開発されています。たとえば、高性能ゲル浸透クロマトグラフィー（HP-GPC）を使用すると、多くの特性を調査し、結果をわずか数分でまとめることができます。新しいプロセス、より効率的な混合および粉砕ユニット、インライン液体質量流量計、オンライン監視システム、および新しい安全装置は、改善のために調査されている他のいくつかの分野です。

ポリマー改質アスファルトクラックシーラーの人気が高まっており、他の多くのアスファルト改質剤が開発されています。舗装のわだち掘れ、ひび割れ、アスファルトの酸化、および水による損傷を制御するために、改質剤が追加されています。いくつかの市販のアスファルト改質剤は、エラストマー、金属錯体、元素硫黄、繊維、消石灰、ポルトランドセメント、シリコーン、さまざまな充填剤、および有機剥離防止剤を含むポリマーです。これらの修飾子の多くは広く使用されておらず、さらなる開発のために研究されています。ある日、特定のアスファルト摩擦調整剤を混ぜ合わせることで「スマートアスファルトセメント」を作ることも可能かもしれません。これにより、湿気の有無に応じて特性を変えることができます。 アンチロックブレーキと組み合わせて、 自動牽引制御、およびエアバッグ、これは私たちの国の高速道路で多くの命を救うのに役立つ可能性があります。