Detta projekt syftar i huvudsak till att studera ultrafina partiklar (nanopartiklar) med ett förmodat ursprung från däcken. Då mätningarna även omfattat grövre partiklar
redovisas även dessa där intressanta resultat framkommit.
Däckens rörelse mot underlaget i provvägsmaskinen kan liknas vid en mycket snäv sväng, som naturligtvis påverkar slitaget av såväl däck som beläggning. De många beläggningsslitagestudierna som utförts i maskinen och jämförts med provplattor i fält visar att beläggningsslitaget vid dubbdäckskörning är ca 3–4 gånger högre än i
verkligheten (Jacobson, 2008). Hur mycket högre slitage av däckgummi är har inte studerats. Däremot kan konstateras att däcken slits kraftigast i ytterkant och att så kallad ”heel-toe”-slitaget är markant på slitbanans yttre och inre delar. Enligt Stalnaker (1996) är däckslitaget ca 32 gånger högre i stadskörning med mycket svängar än på motorväg, varför det är rimligt att anta att däckslitaget är minst lika accelererat i provvägs-
maskinen. Denna kunskap är viktig för emissionsberäkningar, men är av underordnad betydelse för relativa jämförelser.
Vad gäller grova partiklar (PM10) styrks tidigare resultat att dubbdäck genererar avse- värt högre halter än såväl nordiska odubbade vinterdäck som sommardäck. I jämförelse med sommardäck orsakar dubbdäcken i storleksordningen 100 gånger högre halter av PM10. Det finns även en skillnad mellan de tre dubbade däcken. Michelin X-Ice North verkar producera något högre halter än Nokian Hakkapelliita 4 som i sin tur orsakar tydligt högre koncentration än Bridgestone Noranza. Till detta kan finnas flera förklaringar. Michelin X-Ice North har större dubbutstick i jämförelse med de övriga däcken, rimligtvis ökar dubbkraften och därmed partikelbildningen av mekaniskt genererade mineralpartiklar.
Gummiblandningens mjukhet och reaktion på temperaturförändringar kan också spela roll i sammanhanget. En gummiblandning som mjuknar snabbare vid ökande temperatur kommer att minska dubbkraften eftersom dubbens infästning mjuknar och dubben kan antas svikta in i gummit i större utsträckning än i ett hårdare gummi. Här spelar däcktemperaturen alltså roll och kan vara en bidragande orsak för skillnaden mellan dubbdäcken. Bridgestone Noranza har haft en högre starttemperatur än de två övriga dubbdäcken och Nokian Hakkapelliita 4 något högre temperatur än Michelin X-Ice North. Temperaturen kan dels antas påverka däckgummits mjukhet, men även belägg- ningens egenskaper påverkas av temperaturen då bindemedlet är styvare vid låga temperaturer. Detta kan i sin tur påverka partikelbildningen genom att bindemedlet blir sprödare och avger mer partiklar, men även genom att stenmaterialets möjlighet att ge efter för dubbens slag (sviktning) minskar.
PM10-koncentrationerna vid varje hastighet tenderar för Nokian Hakkapelliita 4 och Bridgestone Turanza att plana ut vid 50 och 70 km h-1, vilket tyder på att jämvikt mellan produktion och deposition av partiklar uppnåtts. För Michelin X-Ice North är koncentra- tionen vid 70 km h-1 fortfarande fallande då mätcykeln ändras. Detta tyder på att
produktionen minskar, vilket skulle kunna vara en effekt av den långsamt stigande temperaturen i kombination med en gummiblandning som successivt blir mjukare så att dubbkraften avtar. För de övriga två däcken skulle det innebära att dessas gummibland- ningar inte reagerar lika tydligt eller inte alls på temperaturförändringen.
Även om sommardäcken avger små mängder PM10 finns det ändå en skillnad mellan de olika fyra provade däcken. AGI Proline och Michelin Energy är de sommardäck som ger högst PM10-halter, medan Bridgestone Turanza och Nokian Ecosport orsakar lägre partikelkoncentrationer. Nokian NRHi Ecosport reagerar knappt på hastighetshöjningen från 30 till 50 km h-1.
För de partiklar som är i fokus i denna rapport, ultrafina partiklar, framkom att även här uppvisar dubbdäcken avsevärt högre halter än övriga däcktyper. Partikelfraktionen med ett tydligt antalsmaximum vid 30–50 nm är tydligt knutet till dubbdäcken. Orsakerna till detta är betydligt mer svårförklarade än för PM10. För dessa fraktioner orsakar Nokian Hakkapelliita 4 högst antalskoncentrationer, tätt följt av Michelin X-Ice North, medan Bridgestone Noranza, liksom för de grövre partiklarna, producerar något lägre halter av ultrafina partiklar. Skillnaderna är dock ej så stora som för de grövre partiklarna. Tidigare provade nordiska odubbade vinterdäck påvisade ännu finare partiklar i högre antalskoncentration än då det provade dubbdäcket provades (Dahl et al., 2006:
Gustafsson et al., 2008). De två nordiska odubbade vinterdäck som provats i denna studie orsakar divergerande resultat. Nokian Hakkapeliitta RSi bildar mycket låga halter av ultrafina partiklar, medan Michelin X-Ice uppvisar en kraftigt stigande koncentration av partiklar med ett antalsmaximum under SMPS-instrumentets mätområde. Ursprunget till dessa partiklar är okänt, men påminner om de partiklar som påvisas i Gustafsson et al. (2008).
Överhuvudtaget är det svårt att påvisa någon bildning alls av ultrafina partiklar då sommardäck används. De partiklar runt 100 nm som bildas sjunker i antalskoncentra- tion med ökande hastighet vilket tyder på att ingen eller liten produktion av dessa partiklar försiggår i försöken.
De ultrafina partiklarna är troligtvis för små för att genereras av rent mekaniska processer. Partikelmoden runt 30–50 nm uppstår endast då dubbdäck används, medan den ännu finare moden under 10 nm endast uppkommer då det nordiska odubbade vinterdäcket Michelin X-Ice provas. Möjligen rör det sig om två processer. Den grövre moden kan i så fall vara kopplad till dubbarnas bearbetning av beläggningen, medan den finare moden kan vara kopplad till friktion och uppvärmning av däcken. Resultat från försök med en europeisk beläggning med kalksten, som är mycket mjuk i förhållande till den kvartsit som använts i beläggningen inom detta projekt, visar att trots att PM10- halten är mer än tio gånger högre än vid motsvarande test på NanoWears kvartsit- beläggning, är bildningen av ultrafina partiklar i 30–50 nm-moden nästan identisk. Då sommardäck och odubbade vinterdäck provas försvinner moden helt. Dessa resultat, i kombination med föreliggande projekts resultat, styrker att dubbarnas interaktion med beläggningen kan vara en källa till denna partikelmod. I antingen dubbens kontakt med bindemedlet eller med stenmaterialet uppstår alltså dessa partiklar. En alternativ
förklaring är att däckgummits sammansättning skiljer sig så mycket åt mellan dubbdäck å ena sidan och odubbade vinterdäck och sommardäck å andra sidan att dessa partiklar resulterar vid slitage. Om det föreligger en förklaringsgrundande skillnad i gummi- sammansättningen mellan däcktyperna är dock svårt att undersöka, då däckrecepten är sektretessbelagda.
Hypotesen att de ultrafina partiklarna härrör från däckens gummiblandningar tycks alltså endast delvis styrkas av resultaten i denna studie. Den finaste partikelmoden (< 10 nm) verkar vara den som kan knytas till däcken eftersom de material som kan förväntas påverkas av uppvärmning i första hand är däckens gummiblandningar. Mjukgörande oljor och sot, som används för att svärta däcken, är troliga källor. Enligt uppgift (muntligt, Michelin) är dock de sotpartiklar som tillsätts däck större än de partiklar som uppmätts i föreliggande studie. Den något grövre ultrafina moden verkar enbart kopplad till dubbdäck och alltså kontakten mellan dubbar och beläggning. De storleksuppdelade emissionsfaktorer för såväl massa som antal som redovisas i denna rapport är, oss veterligen, unika data. Även om emissionsfaktorerna för de ultrafina partiklarna är förhållandevis låga jämfört med emissioner från avgaser.
Däremot utgör massemissionerna av de grövre partiklarna från dubbdäcksanvändning ett ansenligt bidrag till dessa, särskilt vintertid. De beräknade emissionerna är i storleks- ordning lika de emissionsfaktorer som beräknats för av till exempel (Johansson et al., 2008).
Vad gäller relationerna mellan PM10 och meteorologiska parametrar är det något
förvånande att sambandet mellan uppmätt halt PM10 och däcktemperatur inte har samma tecken för vinterdäck (dubbdäck och nordiska odubbade vinterdäck) som för sommar- däck. För vinterdäck gäller att minskad däcktemperatur hör samman med högre halter av PM10, medan det motsatta gäller för sommardäck. I sammanhanget bör det kommas ihåg att även om målet varit att utgå från samma temperatur vid vinterdäckproven föreligger vissa skillnader. Sommardäcken har avsiktligt provats vid en annan utgångs- temperatur. Möjligheten finns att samtliga däcktyper gett upphov till samma trend i halt PM10 om mätningarna gjorts i samma temperatur. Å andra sidan skulle ett sådant faktum vara av begränsad vikt då mätningarna utformades för att motsvara realistiska förhållanden: låga temperaturer för vinterdäck och högre för sommardäck. De resultat som här redovisas är därför de som kan anses vara representativa.
Orsaker till skillnaden mellan vinter- och sommardäck, om den accepteras som verklig, kan bero på ett antal orsaker. Gällande uppmätta halter av PM10 då dubbdäck används är halterna som högst vid låga temperaturer vilket skulle kunna härledas till att köldspröd beläggning (och därmed kalla däck) har lättare att avge partiklar än en varm, särskilt under den hårda mekaniska nötning dubbdäck medför. Själva dubbkraften hos dubb- däcken kan också antas högre vid låga temperaturer då gummit är hårdare och dubbarna sviktar mindre då de slår mot underlaget. Tilltagande uppmätta halter av PM10 vid höga temperaturer då sommardäck används är ett ytterligare problem. Förhöjd däcktempe- ratur kan eventuellt medföra ökat slitage av själva däcken, som skulle kunna avge partiklar i storleksintervall med betydelse för PM10. Möjligheten kvarstår också att samtliga däcktyper uppvisar samma mönster av PM10-halt beroende av däcktemperatur om alla däck hade undersökts i temperaturspannet 0–40°C.
Sommardäck har genomgående bättre friktionsegenskaper på våt väg än vinterdäcken. Skillnaden mellan vinterdäcken (både dubbdäck och nordiska odubbade vinterdäck) är liten. Inga samband mellan friktionsegenskaper och partikelbildning har kunnat påvisas i föreliggande studie.
PIXE-analyserna visar ett antal intressanta mönster som indikerar mer eller mindre tydliga kopplingar till de källor som finns i försöken. Att dubbdäcken orsakar ett tydligt mineralbidrag från beläggningen är kanske det mest påfallande och självklara resultatet. Kisel dominerar kraftigt och främst i de grövre storleksintervallen. Intressant är att de mineralanknutna elementen även dominerar i det grövre spektrumet för däck utan dubbar, vilket visar att beläggningen slits och avger PM10 även av dessa däck, trots att beläggningen är enslitstark ABS med ett av de slitstarkaste stenmaterial som finns tillgängligt. Denna studie har haft sitt främsta fokus på ultrafina partiklar och även till viss del på att spåra inandningsbara däckpartiklar. Det svavel som förekommer i PIXE- analyserna är möjligt spårämne för däck, men en osäkerhet föreligger eftersom svavel även förekommer i bitumen i beläggningen. Halterna av svavel är genomgående högre i dubbdäcksförsöken än i övriga försök, vilket styrker teorin att svavlet härrör från bitumen. Zink brukar oftast nämnas som spårämne för däckslitage i vägmiljö (Fauser et al. (1999). Detta grundämnes fördelning i PIXE-provernas storleksintervall tyder på fler och kanske mer dominerande källor, åtminstone vintertid. Zink följer de mineral-
relaterade grundämnenas fördelning väl i dubbdäcksproverna och koncentrationerna är genomgående 1–2 tiopotenser högre än för sommardäcken. Detta tyder på att belägg- ningen kan vara en viktig källa till zink i dessa försök. I sommardäcksförsöken blir det
tydligt att zinkkoncentrationen i olika partikelstorleksklasser skiljer sig från dubbdäcks- försöken. Totalhalterna är lägre, men andelen högre och koncentrationen är högst i partiklar strax under 1 µm. Dessa data tyder på att däckpartiklar inom PM10 har ett massmaximum vid ca 1 µm. Flera studier visar att däckpartiklar inom den inandnings- bara fraktionen har en bimodal fördelning. Enligt till exempel Fauser et al. (1999) föreligger ett grövre maximum vid ca 7 µm och ett finare under 1µm. Om zinket i sommardäcksförsöken härrör från däcken finns alltså däckpartiklar i hela det analyse- rade storleksintervallet. Studier av partiklar från däck uppvisar en tämligen stor variation. Med tanke på att däckmaterialets egenskaper och slitage påverkas av flera faktorer som till exempel sammansättning, ålder, temperatur, beläggningens makro- och mikrotextur, är det rimligt att anta att de resulterande partiklarnas storleksfördelningar också påverkas av dessa faktorer. I jämförelse med de partiklar som bildas genom slitage av ett stenmaterial, torde däckpartiklar ha mer varierande storleksfördelning. Ett intressant grundämne, som direkt kan relateras till dubbarna, är wolfram (W). Dubbarnas hårda kärna är tillverkad av wolframkarbid. Efter de dominerande mineral- grundämnena Si, Ca, K och Fe följer wolfram i koncentrationsordningen. Då odubbade däck används är nivåerna obefintliga. Detta tyder på att wolfram kan förväntas spridas till omgivningen i förhållandevis höga halter och användas som indikator på dubbdäcks- användning. Peltola och Wikström (2006) visade att wolfram mycket riktigt förekom- mer i vägdamm och också anrikas i fraktioner under 45 µm. Samma författare anger att wolframkarbidpartiklarna är i storleksintervallet 0,1–1,4 µm. I PIXE-analyserna i föreliggande projekt förekommer dock främst wolfram i samtliga grövre fraktioner ner till 0,5 µm, men kan även spåras i de två finaste partikelfraktionerna för Bridgestone Noranza.
Då vägbeläggningen varit densamma vid samtliga försök pekar de tydliga PAH- profilerna i PM10 och PM2,5 på att det PAH som detekterats är däckrelaterat. En möjlig annan källa är beläggningens bitumen. De höga andelarna Phenantrene i dammet från testerna med Nokians och Michelins dubbdäck skulle kunna indikera att denna PAH har sitt ursprung i bitumen, eftersom varken de nordiska odubbade vinterdäcken eller sommardäcken ger upphov till denna PAH. Men att just Phenantrene saknas i proverna från testet med Bridgestones dubbdäck stjälper denna teori. Snarare verkar dessa data styrka att PAH:erna har sitt ursprung i däcken.
Michelins däck sticker ut i två bemärkelser. Dels att PM10 och PM2,5 från producentens nordiska odubbade vinterdäck innehåller avsevärt högre PAH-andel än andra däck, med betydligt högre innehåll av Benso(a)pyrene och dels att Michelins sommardäck inte ger upphov till några detekterbara PAH-halter alls.
Resultaten i studien pekar på att de olika däcktyperna (dubb-, friktions- och sommar- däck) bidrar med olika emissioner av PAH:er, både tillhalterna i luften menäven till halterna i stoftet.
Resultaten visar också att PAH halterna i stoftet är högre i PM2.5 jämfört med PM10. Detta indikerar att däckens bidrag till PM2,5 är större än till PM10 och att PAH partiklar utgör en större massa i respirabla partiklar (PM2.5) som innebär större hälsorisker. Den masstopp med maximum vid ca 2 µm då sommardäck provas i PVM i kombination med dessa PAH-resultat styrker att toppen domineras av däckpartiklar.
Principlakomponentanalyserna av PAH i däck, bitumen och i provtagna partiklar visar inte någon korrelation. Orsakerna till detta kan vara flera. PAH skulle kunna ha en helt annan källa än däck och bitumen i testerna. Den stora variationen i de insamlade partiklarnas PAH-innehåll under de olika försöken, som utförts under samma förhållanden i ett slutet utrymme, talar dock emot denna teori. Alternativt påverkas
PAH-sammansättningen då däcken slits mot vägbanan. Friktionsvärmen kan medföra att lättare PAH:er avdunstar från ytan, så att de partiklar som bildas innehåller en större andel tyngre PAH. De luftburna partiklarnas yta är stor vilket också underlättar vidare evaporation av PAH. Detta skulle i princip innebära att sammansättningarna inte kan förväntas vara lika. Vissa svårigheter finns att extrahera PAH ur gummiprover, varför en felkälla skulle kunna vara just PAH-analyserna av däckprover. Jämförelse med en studie från Stockholm (Larnesjö, 1999) där PAH-innehållet i 8 olika däck uppmättes visar dock PAH:erna har ett mycket likartat inbördes mönster i däckmaterialet, vilket tolkas som att analyserna är tillförlitliga (Figur 46).
0 10 20 30 40 50 60 Phena ntren e Ant hrac ene Fluo ranth ene Pyre ne Bens o(a )ant hrac ene Chr ysene Ben so( b)fluo rant hene Bens o(k) fluor anth ene Bens o(a) pyre ne Dibe nso(a ,h)a nthr ace ne* Ben so( g,h,i )per ylen e* Inden o(1,2 ,3-c d)py rene K o n c e n tr ati o n (µ g /g ) Medel för 8 däck (Larnesjö, 1999) Dubbdäck
Nordiska odubbade vinterdäck Sommardäck
Bitumen
Figur 46 Medelvärden för PAH i olika däcktyper och bitumen i föreliggande studie jämfört med data från (Larnesjö, 1999).
Av miljö- och hälsohänsyn fasas för närvarande så kallade högaromatiska (HA) oljor ur däckrecepten. Enligt ett EU-direktiv ska alla däck vara utan märkningspliktiga oljor (HA-oljor) till 2010. Om en slitbana innehåller mindre än 3 % av märkningspliktiga oljor definieras de i nuläget som HA-oljefritt. Först ut var vinterdäcken, där de flesta idag är HA-oljefria, medan det varit något svårare att ersätta HA-oljorna i sommardäck. HA-oljorna innehåller höga halter av PAH, men även andra oljor kan innehålla PAH, om än i lägre halter. Då PAH-profilerna är däckspecifika är det rimligt att anta att det är dessa oljor som är källa till de PAH:er som identifierats i partiklarna i denna studie. Uppgifter om vilka oljor som används istället för HA-oljor har bara översiktligt kunnat kartläggas. Såväl växtbaserade oljor som renade mineraloljor förekommer, men de exakta oljorna i de däck som här förekommer är av företagen sekretessbelagda uppgifter.
Regummerade däck är sedan länge HA-oljefria, vilket alltså gäller för sommardäcket från AGI, som ingår i studien. Bridgestonedäcken har HA-oljefri slitbana.
Michelins båda vinterdäck har HA-oljefria slitbanor, medan det provade sommardäcket (Energy) inte har det. PAH-resultaten visar att partiklarna då Michelin Energy körs inte innehåller detekterbara halter av PAH.
De friktionsegenskaper hos däcken som uppmätts inom detta projekt kunde inte relateras till emissioner av olika partikelstorlekar. Underlaget är dock mycket litet samtidigt som det är oklart om andra friktionsparametrar än de som här tagits fram kan
ha en större inverkan. Av intresse för fortsatta studier är främst parametrar kopplade till värmeutveckling, då de nanopartiklar som möjligen kommer från däckgummit kan härröra ur evaporation och kondensation av oljor.
Resultaten från detta projekt kan knyta den ultrafina partikelmoden runt 30–50 nm till kontakten mellan däckdubbar och beläggning, men inte med säkerhet sägas fastställa en specificerad källa. Den ännu finare partikelmoden uppstår bara för ett av de nordiska odubbade vinterdäcken och även här måste källan betraktas som okänd. Säkerställt är dock att dubbdäck bildar en partikelfraktion med antalsmaximum vid ca 30–50 nm (med massmaximum vid ca 100 nm), som innehåller höga relativa halter av svavel. Huruvida dessa partiklar kan detekteras i gatumiljö och om de i så fall utgör ett hälso- och/eller miljöproblem återstår att utreda.