International Journal of Pavement Engineering, 2015
Vol. 16, No. 7, 660–666, http://dx.doi.org/10.1080/10298436.2014.943217
A methodology for cost-benefit analysis of recycled asphalt pavement (RAP) in various highway applications
Rebecca Franke and Khaled Ksaibati*
Department of Civil and Architectural Engineering, University of Wyoming, Laramie, WY, USA
(Received 26 November 2013; accepted 5 July 2014)
The purpose of this study is to determine which utilisation of recycled asphalt pavement (RAP) in various roadway applications is the most cost efficient. Using a method developed by the National Asphalt Pavement Association, a system was devised to assess the costs and benefits of using RAP in hot plant mix. A similar process was developed to evaluate the value of using RAP in gravel roads and bases. The system normalises all of the costs and benefits into savings per tonne of RAP as a means of equal comparison. Factors such as savings from dust loss, layer coefficients, haul and decreased need of virgin aggregates were taken into account. Finally, a case study was conducted using these three different applications. Such analysis can be used by other agencies interested in identifying the most cost-effective methods for using RAP in roadway construction.
Keywords: RAP; recycled asphalt pavement; cost-benefit; hot plant mix; base layer; gravel roads
- Introduction
When the volume of traffic on an unpaved road grows, it causes increasing dust loss and surface losses to the roadway. Roads tend to be paved when they carry a volume that exceeds ,150 – 400 vehicles per day (vpd). Many unpaved roads that experience an upsurge in traffic end up carrying over the suggested 400 vpd. It would make sense to pave some of these roads, but many local agencies cannot afford these expensive operations, especially when the future traffic volume of these roads is uncertain. Those activities that caused the upsurge might decrease, which could result in a significant reduction in traffic volumes. Therefore, other means of surface preservation must be taken into consideration. An alternative option is needed to reduce the dust loss and associated surface distresses, while still being cost effective.
In a recent study investigating the usage of recycled asphalt pavement (RAP) in gravel roads, it was found that the use of RAP reduces dust without affecting the serviceability of roadways (Koch 2010). As a result of this study, RAP is now considered a viable alternative to the maintenance of highly trafficked gravel roads, in addition to the plethora of other uses it already has. This study is being conducted to weigh the costs and benefits of utilising RAP in various highway construction operations.
The primary objective of this study is to evaluate the cost effectiveness of incorporating RAP in various highway applications. The different applications include: utilising RAP in hot plant mix (RHPM), gravel roads and RAP in road base.
This paper will identify and quantify the various factors that should be included in doing a cost-benefit analysis of the different applications of RAP. In addition, this paper will show how to utilise these factors when carrying out the analysis. Finally, a case study will be performed of various applications of RAP, which will provide examples and descriptions of how to perform the cost-benefit analysis. In this way, it is possible to make specific recommendations on the most cost-effective technique of utilising RAP in highway construction.
- Background
Many past studies of RAP discuss its use in highway surfacing, much of which include its usage in HPM and base. Many of the benefits of RAP are defined in an article published by the National Asphalt Pavement Association.
The use of RAP in new asphalt mixtures has many advantages to the environment, pavement owners and contractors. Environmental benefits include a reduction of the carbon footprint of the product and any of its end uses, conservation of landfill space, making asphalt paving an excellent sustainability practice.
From an economic standpoint, the use of RAP usually reduces the cost of the mix. In addition, the reuse of materials provides an opportunity to stabilise construction prices, which may fluctuate as the economy and demand for raw materials change.
Both the environmental and the economic benefits of recycling have been enhanced by new methods that allow
*Corresponding author. Email: khaled@uwyo.edu
q 2014 Taylor amp; Francis
using increased amounts of RAP in asphalt mixtures. Appropriately done, RAP mixtures can provide the same or better level of service than virgin asphalt mixtures. (NAPA 2009)
Due to its many benefits, RAP is an easily justifiable option for those transportation departments that have access to it through either new construction or stockpile. The National Asphalt Pavement Association describes RAP as lsquo;a very valuable resource for the HMA producerrsquo;. It already contains aggregate and liquid asphalt, so when RAP is used in HPM, it saves money and materials by replacing both of these components. Research has shown that recycled pavements offer the same durability as pavements made with 100% virgin materials, but when those new materials are substituted with recycled materials, there are significant cost savings to the consumer (NAPA 2007).
Financial considerations are a significant part of decision-making regarding the use of RAP. Several states have conduct
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再生沥青路面在各种公路应用中的成本效益分析方法
Rebecca Franke和Khaled Ksaibati*
美国怀俄明州拉拉米市怀俄明州大学土木与建筑工程系
（2013年11月26日收到；2014年7月5日接受）
本研究的目的是确定在哪种道路中使用再生沥青路面（RAP）最具成本效益。研究采用美国国家沥青路面协会开发的方法，设计了一个系统来评估在热电厂混合料中使用RAP的成本和效益。为评价碎石路面和基层中使用RAP的价值，开发了一种类似的方法。该系统将所有成本和收益标准化为每吨RAP的节约量，以此作为平等比较的手段。考虑了粉尘损失的节省、层系数、运输量和粗集料需求的减少等因素。最后，利用这三种不同的因素进行了案例研究。此类分析可供其他对在道路施工中使用RAP最具成本效益方法有兴趣的机构使用。
关键词：RAP；再生沥青路面；成本效益；热电厂混合料；基层；碎石路
1. 介绍
当土路上的交通量增加时，它会增加道路的灰尘损失和表面损失。当交通量超过150-400辆/天（VPD）时，道路往往需要铺设路面。许多土路经历了一个高峰的交通，最终交通量超过建议的400 辆/天。铺设其中一些道路是有意义的，但许多地方机构负担不起这些昂贵的运营费用，尤其是当这些道路预期交通量不确定时。导致车流高峰可能会减少，从而导致交通量显著降低。因此，必须选择一种减少灰尘损失和相关的表面损伤，同时仍然具有成本效益考虑其他表面保护方法。
最近的一项研究调查了再生沥青路面（rap）在碎石道路中的使用情况，发现使用rap可减少灰尘，且不会影响道路的可用性（Koch 2010）。本研究的结果是，除了现有的大量其他用途外，现在RAP替代高交通量碎石道路维护被认为是一种的可行方案。本研究旨在权衡在各种公路施工作业中使用RAP的成本和效益。
本研究的主要目的是评估在各种公路应用中使用RAP的成本效益。包括以下的范围：在热电厂混合料（rhpm）中使用rap，在碎石路和道路基层中使用rap。
本文将识别和量化在对RAP不同应用进行成本效益分析时应考虑的各种因素。此外，本文还将说明在进行分析时如何利用这些因素。最后，将对RAP的各种应用进行案例研究，提供如何进行成本效益分析的示例和说明。这样，就可以对公路施工中最具成本效益的使用RAP技术提出具体的建议。
2. 背景
过去许多关于RAP的研究都讨论了其在公路路面上的应用，其中大部分是在高性能混凝土和基层中的应用。RAP的许多好处在国家沥青路面协会发表的一篇文章中进行了定义。
在新沥青混合料中使用RAP对环境、路面的业主和承包商有许多好处。环境效益包括减少产品的碳排放及其任何用途，保护垃圾填埋场空间，使沥青铺面成为一种良好的可持续性实践。
从经济角度来看，使用RAP通常会降低混合成本。此外，材料的再利用为稳定建筑价格提供了机会，这可能随着经济和原材料需求的变化而波动。
循环利用的环境效益和经济效益都通过新的方法得到了提高。在沥青混合料中使用更多的rap。如果处理得当，rap混合料可以提供与原始沥青混合料相同或更好的质量。（NAPA2009）
由于RAP有许多好处，因此对于那些通过新建建筑或储存获得RAP的运输部门来说，它是一个很合理的选择。国家沥青路面协会将RAP描述为“HMA生产商非常宝贵的资源”。它已经包含了集料和液态沥青，所以当在高性能混凝土中使用RAP时，通过更换这两种组分可以节省资金和材料。研究表明，再生路面具有与100%原始材料制成的路面相同的耐久性，但当这些新材料被再生材料替代时，消费者可以节省大量成本（Napa 2007）。
财务考虑是使用RAP决策的重要组成部分。几个州进行了研究，以确定使用rhpm是否具有成本效益。佛罗里达州交通部估计，自1979年以来，使用RAP已经为该机构节省了2.24亿美元，相当于其年度重新装修预算的三分之二（Horvath 2003）。其他机构估计，当使用10-25%的RAP时，平均节省高达30%（Brown，1999年）。显然，使用RAP具有成本效益。
RAP的好处不仅仅是节约成本。RAP减少了对自然资源的需求，节省了垃圾填埋场的空间，缩短了材料运输距离，从而减少了温室气体排放。道路上的再生材料也证明至少与新材料的质量相当（Kandhal和Mallick 1997）。
阿曼苏丹国的苏丹卡布斯大学开展了将RAP掺入道路基层的研究。该大学先前的研究表明，如果将RAP与原始集料混合，则可将其用作基础材料。实验室研究的结果证明了这一点，表明RAP“似乎是道路基层和底基层施工中使用的密级配集料的一种可行替代方案”。结果还表明，如果用水泥稳定，100%的rap集料可以用作基层材料（Taha，2002年）等。
罗格斯大学还对路面基层和底基层使用RAP进行了研究。结果表明，与本研究中使用的密级配集料相比，RAP的弹性模量和场弹性模量稍高（Maher和Popp，1997年）。在美国伊利诺伊州厄本那市林肯大道的建设中，也对RAP的基础潜力进行了评估。实验室和现场经验表明，RAP可以成功地用作传统的基础材料。现场性能与碎石基层相当（Garg和Thompson，1996年）。
碎石路被认为比铺砌道路为用户提供的服务要低。在大多数情况下，碎石路是用来提供通道或服务的。在许多情况下，由于交通量非常低和/或没有足够的资金来充分改善底基层和基层，然后铺设道路，因此不会铺设碎石路（Henning等人2007）。
与土路相关的主要问题是交通产生的扬尘和罚款损失。粉尘控制方法从向道路喷洒化学品到在道路重建中使用土工布。其他努力可能包括降低车速和用水。在交通量较低、铺路在经济上不可行的情况下，使用抑尘剂是合理的；在计划阶段性施工时，抑尘剂和应用的成本较低。性能特征以及交通类型和交通量、气候、道路条件和产品成本都对选择抑尘剂起着重要作用（Sanders和Addo 1993，Addo等人2004）。在怀俄明州进行的一项研究认为，通过使用rap进行的降尘非常显著，高达41%，对砾石表面的适用性没有任何变化（Koch 2010）。
对碎石路用RAP的结构稳定性进行了有限的探讨。要使用的RAP和原材料的适当比例是一个重要的考虑因素。当环境温度高到足以使再生沥青结合料液化时，道路可能具有弱铺面道路的特征，因此会造成坑洞和维护问题。碎石路手册建议混合50%原始碎石和50%再生沥青混合物，以便更好地维护道路（Selim和Skorseth 2000）。混合材料将防止道路性能不佳。
3. 方法论
3.1 研究领域
为了实现本研究的目标，研究团队利用了州际公路项目的成本信息，Wydot在基层和沥青面层中使用了RAP。此外，当地的一家机构还提供了RAP，以便将其纳入卡车运输量非常大的碎石路中。砾石试验段在怀俄明州南部（甜水县）的一条县道上修建。整个碎石路段的长度为12.87公里（8英里）。有两个0.8公里（0.5英里）的州际铺面路段使用RAP建造。在这些地点的成本和收益被用来开发方法，以确定哪个应用程序更具成本效益。州际数据将用于分析基层的rhpm和rap的成本，县道数据将用于碎石路的rap。
图1 旋转混合室CAT RM-500
对于州际公路路段，使用底部卸料自卸卡车分配RAP，然后使用平地机进行摊铺。然后，如图1所示，使用CAT RM-500旋转搅拌机混合RAP和底座。该机器将RAP与25 cm（6 英寸）的基层混合，然后将混合料释放回路面。关于混合室的应用，请参见图1。然后用水喷洒RAP混合物并压实以达到最大密度。
使用的成本效益分析方法在信息系列123：回收热拌沥青路面（NAPA 2007）的附录中进行了描述。虽然这种方法被精确地用于rhpm应用，但对基层和碎石路的rap分析进行了调整。第3.2节描述了该分析的程序，并在案例研究中的个别应用中显示了修改。
经济比较是通过分析三种不同应用类型的每吨（也称为公吨或1000千克）应用RAP的价格得出的。首先，评估了rhpm和原始热厂混合料（hpm）之间的差异。考虑了材料的个别价格和混合物中每种材料的数量。第二，研究了公路基层与原路基层的RAP经济差异。最后，计算了碎石路面抛石的经济效益。这些分析包括降尘、层系数、运输成本和原始集料节约等节约因素。
3.2 成本效益
成本分析是通过计算在每个公路应用中实施RAP所节省的成本来完成的。必须指出的是，这种成本分析方法只是为了显示材料成本的节约。在混合料中实施RAP时，只考虑了材料的减少，如集料、熟石灰和沥青粘合剂。节约是通过减少这些昂贵材料的大量数量来实现的。装载、碾磨、铺设和压实成本不包括在成本分析中，因为这些过程对于回收材料和原材料都是相似的。社会和环境效益也不包括在内，因为它们的价值很难分配一个货币数额，而且项目之间也存在差异。然而，从降尘、层系数（lcs）、运输成本和附加原始集料成本中节省下来的成本都应用于效益分析中。
以下步骤（A到E）用于确定每个应用程序的相关效益。该模型遵循信息系列123：回收热拌沥青路面附录中所述的过程。每个步骤都以每吨RAP的价格显示了在该应用程序中使用RAP的好处，这显示了在该特定应用程序中使用RAP时每公吨的节约量。
3.2.1步骤A：降尘
利用多种因素分析了降尘效果。考虑了抑尘剂的使用率和价格。对于不同的公司和抑尘剂，这些值可能不同。计算平均段的表面积以及每个段的总吨位。本次计算的最后一项是Koch（2010年）在之前的研究中确定的20%的降尘率。降尘节省仅适用于在碎石路中进行抛石，因为使用抛石和rhpm的道路基层不会产生灰尘。方程式（1）可用于计算降尘效益。
3.2.2步骤b：层系数
连卡佛的好处变得微不足道，因为WYDOT规格规定混合和粉碎的基础具有相同的0.12的连卡佛。其他机构也可以使用相同的计算方法来确定混合和破碎基层具有不同系数时的LC效益。当计算节约时，破碎的基层将除以混合基层系数。方程式（2）将用于确定LCS产生的货币效益。
3.2.3 步骤C：运输成本
运输成本是一个重要因素，因为将集料运输到应用现场会产生额外的成本。考虑到本案例研究中的RAP储存在现场，运距可以忽略不计，因此对成本没有影响。运输成本在其他项目中仍然会有影响，因此评估运输的方法如下所示。运输成本将受混合料中RAP百分比的影响。在配合比设计中，较高比例的RAP需要更多的材料，因此需要更多的运输量。方程式（3）用于计算运输的额外成本。运输成本应从总效益中扣除。
3.2.4 步骤D：从原始集料中节省
这种节省来自于在混合料中使用RAP而不是来自外部来源的额外原始集料的成本差异。使用RAP将降低新道路应用的成本。对于rhpm、碎石路中的rap和道路基层中的rap，此值不同。减少使用原始集料所节省的费用可用方程式（4）确定。
表1.使用所有因素的效益分析模板
|
步骤 |
因素 |
道路应用 |
|
A |
降尘（方程式（1）） |
美元/吨RAP |
|
B |
节省LCS（方程式（2）） |
美元/吨RAP |
|
C |
运输负节省（方程式（3）） |
美元/吨RAP |
|
D |
节省原料（方程式（4）） |
美元/吨RAP |
|
E |
总效益（A B C D） |
美元/吨RAP |
表2.HPM材料与费率汇总
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资料编号：[2737]
|
材料 |
RHPM,kg/m3（LB/CF） |
HPM,kg/m3（LB/CF） |
|
粗骨料 |
1921.8(119.9) |
2203.9(137.5) |
|
RAP |
339.8(21.2) |
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