在公路路肩上使用可再生沥青路面对水力学和环境的影响
关键词：可再生沥青路面，金属浸出，水力渗透系数，数值模拟
摘要：科学家们为了评估可再生沥青路面（RAP）在高速公路路基边缘落差建设中的潜在应用价值，在马里兰州7条不同的道路上进行了一个实验项目，实验的目的在于计算可再生沥青路面的水力性能和环境性能。由于级配集料基层材料，碎石，表层土在这些边缘陡坡中的广泛使用，因此在实验方案中作为对照材料。通过一系列的恒水头实验，评价了可再生沥青材料的渗透系数，并通过间歇浸出实验和柱浸出试验，确定了可再生沥青路面的浸出潜力。实验室测试结果表明，可再生沥青路面的渗透系数与那些级配是清洁砂砾混合料的天然骨料的渗透系数相当。在柱浸出试验中，可再生沥青路面释放的所有金属的稳定浓度都低于水质限制。数值分析结果表明，随着距离公路路肩的距离增加，附近地表水中的金属浓度大大的降低。
- 介绍
可再生材料在公路中的利用具有巨大潜力，可以降低自然资源，降低运输成本。已经有研究评估了运用于公路中的可再生材料对于机械和环境的影响，比如在基层/底基层，沥青，公路排水系统，隔音屏障或堤坝的建设中。总的来说，结果表明可再生材料在公路建设中能够替代土质骨料。
一种公路的再生利用方法是刮磨存在的沥青层以及它所产生的副产品，这个过程叫做沥青路面的再生（RAP）在2017年美国生产的热拌沥青混合料的总数量为3.79亿吨，超过0.76亿吨的热拌沥青混合料被运用在了沥青路面再生中。自2009年开始，使用再生骨料和天然骨料生产的沥青产量增加了5.9%，然而在HMA（热拌沥青混合料）中使用的可再生沥青混合料增加了36%，表明了可再生沥青路面在沥青工业中的显著贡献。由于在2017年将RAP作为一种沥青原料，380万吨沥青结合料和7200万吨骨料得以保存，从而节约了超过21亿美元的成本。另一方面，美国储存的RAP总量已经积累到了1.02亿吨，一个新的应用领域需要被开发出来。
之前的研究调查了作为基础材料的可再生沥青路面在公路中的使用情况。然而，由于相对较低的强度和刚度，纯净RAP在高速公路建设中是不受欢迎的。用结合料比如低聚物水泥，粉煤灰，水泥窑粉尘和矿渣是受推荐使用的。另一方面，使用纯的RAP材料进行公路路肩边缘下降是一种可行的应用方法，同时可以跳过上述繁琐的混合和固化过程。然而，这种材料的水利和环境性能需要被彻底的研究，来定义这种性能的研究也十分有限。 Trzebiatowski 和Benson在三种有着不同能量的可再生沥青路面材料中测试其渗透系数，结果表明可再生沥青路面的渗透系数在4.5*10-6到9.0*10-3之间变化。然而控制材料的渗透系数比RAP材料的低。除此之外，RAP材料的性能还取决于不同的参数比如说沥青含量，集配，材料被收集的位置。
为了学习这些参数对RAP材料的水力性能和环境性能的影响，一项实验研究项目展开了。结果被拿来和级配集料底基层材料，57号碎石（粗骨料碎石），表层土进行比较。这三种材料在马里兰州的高速公路路肩建设中得到了广泛的应用。而且，UMDsurf，一种数字模型被用来模拟表面水中金属的运输和决定，在极其贴近公路系统的情况下。
- 材料
科学家们在位于马里兰州的公路上收集了7个有着不同提高特征的RAP样品，并对他们的渗透系数和环境特性做了测试。 每一份RAP材料都被彻底混合，分成四等份并储存在分开的桶中在随机取样后，样品被收集来做水利和浸出试验，然后被减少到同ASTM C702,ASTM D75/75M一样的质量来确保样品的代表性。筛分之前，用手来去除RAP样品只能给的所有杂物和异物。所有的RAP样品根据USCS系统被分成了碎石密集配（SW），除了RAP3，被分类为级配差的碎石类（SP）。所有的RAP材料样品根据美国州立公路协会和官方运输分类系统的标准根据A-1-a的顺序来进行分类。根据ASTM D4318，RAP材料没有表现出任何plas强度，它们的初始含量按重量从0.1%到1.8%不等。为了比较RAP材料与传统公路路肩边缘陡坡的水力性能和环境性能，实验方案中包含57号石级配骨料基材和两种表层土。（以下简称GAB,57号石，TS1和TS2）S1和TS2分别含有2.5%和2.8%的有机质，而GAB和57号石是完全无机的。材料中的杂质在测试前用手除去，GAB,57号石，TS1和TS2根据USCS被分别分为了级配差的碎石砂砾，级配差的碎石，粉土和级配差的砂和粉砂。然而相同的材料根据AASHTO系统被分成了A-1-a，A-1-a(0),A-2-4(0),A-2-5(0)。RAP材料，GAB，57号石和表层土的物理特性如表一所示。
为了评估细粒含量和砂石比对RAP材料的渗透系数影响，几个不同的级配，RAP1,RAP2的细粒含量在0%到8%之间变化。采纳了Cote和Konrad的建议，矿石材料的粒径大小为9.5-12.5mm和12.5到19mm在准备级配的筛分过程中。
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