Framtida klimatförändringar och deras inverkan på vägar och gators tekniska utformning

Detta stycke diskuterar effekterna av klimatförändringar på beläggningars tekniska utformning. Utöver de materialkrav som ges i TRV (2011) gällande kornstorleksfördelning, organisk halt, tjälfarlighet och krav på färdigt lager inklusive krav på material tjälfarlighet och säkerhet vid användning, finns det

flera punkter som bör tas hänsyn till under den tekniska utformningen av vägar för att möta utmaningen med framtida klimatförändringar.

Konsekvenserna av klimatförändringar på vägnätet är ansenliga. Ökande nederbörd och större flöden leder till översvämning, bortspolning av vägar och en ökad risk för ras, skred erosion. Med ökande temperaturer förskjuts skador från att vara frost-relaterade till värme- och vattenrelaterade. Nederbörd påverkar vägkroppen mestadels genom en uppbyggnad av grundvatten och avrinning i vattendrag omedelbart efter regn eller på grund av snösmältning. Stigande grundvattennivåer kommer öka portrycket i jorden, vilket försvagar den naturliga släntstabiliteten hos vägar. Höga flöden i stora och medelstora vattendrag ger en ökad erosionsrisk som påverkar vattendragens slänter. Kraftiga regn leder till höga flöden i små vattendrag, främst under sommar och höst, med risk för erosion, översvämning, bortspolning av vägar och påverkan på till exempel kulvertar (Klimat- och sårbarhetsutredningen, 2007), se Figur 21.

Markfrost och medel till höga temperaturer spelar roll för vägens lastbärande förmåga och hållbarhet. Enligt Sohrweide (2018) så fungerar förarlös teknik inte så bra i snö, dimma eller kraftigt regn för att det stör fordonens sensorer. Extrema temperaturer är ytterligare en utmaning.

Under perioden mellan 1994 och 2001, var det omkring 200 händelser som innefattade stora skador på grund av höga vattenflöden. Flera höga vägslänter spolades bort i Hagfors år 2004 efter kraftigt regn. Den totala kostnaden översteg 200 miljoner SEK. Sommaren 2006 spolades en vägslänt när Ånn bort efter ett kraftigt regn och efterföljande höga vattenflöden. Vägen reparerades efter två veckor till en kostnad av 6 miljoner SEK (Klimat- och sårbarhetsutredningen, 2007). I november 2020 orsakade kraftig nederbörd stora översvämningar i Umeå (se Figur 20), många källare vattenfylldes och vägar spolades bort, se Figur 21.

Enligt Appendix B 1 i Klimat- och sårbarhetsutredningen (2007) kommer ökade temperaturer och minskad frostnedträngning leda till olika konsekvenser för beläggningar och vägytor. En kortare frostperiod betyder minskad deformation i beläggningen och undergrunden men kan kräva större underhåll om frostens funktion används. Högre temperaturer och grundvattennivåer innebär ökad spårbildning genom deformation.

När temperaturerna under ytan sjunker, fryser fukten i beläggningens obundna lager till is som binder samman ballastpartiklarna. Frostnedträngning leder till en ökad styrka och styvhet hos de obundna lagren och undergrundsjordar. Processen som formar is drar också fukt in till fryszonen. När frosten tinar på våren ökat fuktigheten i jorden vilken kan lede till försvagat stöd för

beläggningsuppbyggnaden (Selezneva et. al. 2008).

När processen för att utforma beläggningar rör sig mot mekanistisk-empiriska tekniker blir kunskap om årstidsförändringar i beläggningsuppbyggnadens egenskaper kritiskt. Specifikt information om frostnedträngning är nödvändig för att bestämma effekten av frys och tö på beläggningens respons (Selezneva et. al. 2008).

Betongkonstruktioner är känsligare för salt och upprepade frys-cykler. Antalet nollpasseringar – antalet dagar när temperaturen passerar fryspunkten – är betydelsefullt för vägnätet och

vinterväghållningen (Klimat- och sårbarhetsutredningen, 2007). Sammanfattningsvis,

temperaturförändringar kommer påverka slitage, spårbildning, deformation och betongreparationer. Willway et. al. (2008), beskriver goda exempel på hur lokala myndigheter kan minska påverkan av klimatförändringar på beläggningar. Åtgärderna kan innefatta periodisk monitorering av

grundvattennivåer; förändringar i asfaltstandard; långsiktiga program för att lokalisera och utvärdera effektiviteten och tillståndet på befintlig dränering inom flera kommuner; program för att förbättra dränering, till exempel byta ballast till en med mindre benägenhet för separation och brott i förstärkning av vägar för att minska sättningar, som i Lincolnshire.

Genom att utöka dessa aktiviteter och införa mer förebyggande, snarare än reagerande,

underhållsåtgärder kan lokala myndigheter lyckas anpassa motorvägar till framtida klimat (Willway et. al. 2008).

Arbete pågår av Trafikverket och svenska kommuner för att utveckla specifika krav för väg- och gatubyggnad och förbättra arbetet.

4.4.2. Rekommendationer för testbädd som möter utmaningen med framtida

klimatförändringar

De olika åtgärder som kan vidtas för att bygga vägar som kan motstå framtida klimatförändringar är är sådana som är baserade på att bygga gator och vägar med vattenreservoarer, vägvärmesystem och stabiliserad väguppbyggnad.

Som belysts i tidigare stycken kan vägars övre yta vara asfaltyta, betongyta eller marksten. Andra typer av ytmaterial/-lager kan användas med de faller inte in i syftet för detta stycke.

Gällande markstensgator tar nya rekommendationer om utformningen av markstensgator hänsyn till klimatförändringar genom att hantera översvämningar och nederbördseffekter som illustreras i Svensk Markbetong handbok (2020). Tre vägsystem med marksten har definierats av Svensk Markbetong handbok (2020), nämligen I, II och III baserat på dränering och lagringssystem för dagvatten. Utöver detta tillkommer ytterligare bifunktioner såsom rening av dagvatten och bidrag till

grundvattenbildningen.

Dessa vägar och gator utformas för att minska mängden och förbättra kvaliteten på dagvattnet inuti själva vägkroppen. Genomsläpplig beläggning har porer eller öppningar som tillåter vatten att passera genom ytan, sedan sippra ner genom gruslager och ner i jorden nedanför. Genomsläpplig beläggning tillåter regnvatten att röra sig genom beläggningen till jorden nedanför och tillhandahåller vatten till grönytor i närheten. Dessa kan vara i form av marksten med infiltrationsöppningar mellan stenarna eller poröst material med infiltrationsöppningar inuti materialet. Figur 22 visar ett utformningsförslag för en markstensväg (av system I enligt Svensk Markbetong handbok, 2020) som bättre kan motstå väderförändringar såsom översvämning jämfört med det traditionella system som visas i Figur 4.

Figur 22. Exempel på uppbyggnad av markstensöverbyggnaden, system I, ej skalenligt.

Notera att utformningen som visas i Figur 22 följder samma förhållanden som visas i Figur 4. Dvs för trafikklass 3, material typ 4, klimatzon 2 och tjälfarlighetsklass 3.

I AMA Anläggning (2020) introduceras två nya koder som anger krav på material till bär- och

förstärkningslager i en överbyggnad som har ett dränerande ytlager och där obunden överbyggnad ska fördröja och dränera bort dagvattnet. Samtliga material ska vara deklarerade enligt SS-EN 13242. Viktigt för dessa är att mängden material under 2 mm sikt begränsas till max 5 procent för att ge hög permeabilitet och utrymme för magasinering av dagvatten. Av bärighetsskäl är mängden material mellan 2 och 4 mm viktig och som riktvärde bör minst 10 procent passera 4 mm sikt.

Vid jämförelse av utformningen av en traditionell markstensväg som ses i Figur 4 med en ny, klimatanpassad utformning som ses i Figur 22, kan det noteras att bärlagret har samma tjocklek men att förstärkningslagret har ökats till 513 mm i den nya designen som ges i Figur 22. Detta ger en total ökning i hela vägkroppens tjocklek om 103 mm vilket kommer fungera som en extra reservoar för dagvatten. Många av de nya markstensbeläggningarna angivna i Svensk Markbetong handbok (2020) har testat i full skala, se också Hellman (2017). Vidare har till exempel porösa och genomsläppliga markstenar illustrerats och testats av Blundell och Lenhart (2011), Ecoraster (2015) och Borgwardt (2015).

Å andra sidan föreslås en ny vägutformning där svensk porös asfalt har använts som slitlager (istället för marksten) men den har ännu intetestats långsiktigt med trafiklast och under olika, svåra

klimatförhållanden. Den nya, föreslagna testbädden behåller den huvudsakliga fördelen med extra reservoarutrymme som ses i Figur 22, men med en yta av porös asfalt som ses i Figur 23. I denna figur ses hur den föreslagna utformningen tar hänsyn till klimatförändringar genom att hantera

översvämning och dagvatten. Samtidigt kan denna uppbyggnad kombineras med andra funktioner som tar hänsyn till elektrifiering och digitaliseringsutmaningar. Sådana möjligheter diskuteras i detalj i kommande stycken.

Figur 23. Rekommendationer för testbädd som möter utmaningarna för klimatändringarna (Stormvattenkontroll med dränerande asfalt) ej skalenligt.

På senare tid har många dagvattenlösningar förnyats för att möta dagens ambitioner med dagvattenhantering. Denna hantering inkluderar men begränsas inte till:

1. Svackdike (Swales): Svackdiken transporterar vatten likt rör, men är utformade som grunda, öppna, planterade kanaler för att transportera avrinning och ta bort föroreningar. De är ett alternativ till ett rörlagt dräneringssystem där utrymme och lutning är tillgängligt. Svackdiken

tillåter ett långsamt vattenflöde och fångar sediment för att förbättra vattenkvaliteten (Global Street Design Guide, 2016).

2. Regngårdar (Rain garden): Dessa gårdar har ett speciellt jordfiltermaterial som kan ta bort föroreningar från avrinning från vägen. De kallas också för biofiltersystem, växtbädd,

regnrabatt, regnträdgård, rain garden eller genomsläpplig remsa. Vissa är utformade för att låta vatten infiltrera ner till underliggande jordar medan andra är utformade för att samla upp det behandlade vattnet och transportera det rena vattnet nedströms (Global Street Design Guide, 2016).

3. Regnbäddar (Rainbed): De är nya kompakta, prefabricerade dagvattensystem som samlar upp, fördröjer och renar dagvatten nära källan (Uponor Regnbädd, 2019). Regnbäddar används vanligtvis på hårdgjorda ytor i centrala stadsdelar men de kan även installeras i kommersiella ytor. De kan installeras nedgrävda eller ovan mark, se Figur 24. Det finns också ett aktivt substrat baserat på pimpsten, grönkompost och sand som kombinerar gröna miljöer med dagvattenhantering (Hekla Regnbädd, 2016).

Figur 24. Regnbädd (Källa: Uponor, 2019).

4. Dagvattenbrunn (The storm basin). Enligt CFS (2016) är denna brunn utformad för att fånga och hålla kvar dagvatten och fånga föroreningar såsom: sediment, skräp, vegetation,

näringsämnen, koliforma bakterier, olja/fett och lösta metaller (tex bly, koppar, kadmium och krom). Andra dagvattenlösningar kan inkludera men begränsas inte till StormSack och StormSok som anges av CFS (2016).

5. Lagringstank för dagvatten (Storage-Tank stormwater systems). Dessa tankar tillhandahåller underjordisk lagring av dagvatten. Efter att en regnskur fyller lagringstanken kan dagvattnet flöda in i avloppssystemet, infiltreras ner i marken eller återanvändas. Systemet kan vara effektivt och platsbesparande. Lagringstanken är ett modulärt system som kan sättas ihop till olika höjder. Däremot finns det många olika storlekar och installationsrestriktioner beroende på tillverkarens rekommendationer för specifik trafiklast och platsförhållanden.

Dagvattensystem med lagringstank kan placeras under många olika slags ytor inklusive parkeringsplatser, gator och tillfartsvägar, svackdiken och kanaler beroende på

utformningskraven som rekommenderas av tillverkaren. Lagringssystemtekniken är av speciellt intresse med hänsyn till den tekniska utformningen eftersom den påverkar den tekniska utformningen av gator och vägar och deras långsiktiga prestanda under olika trafiklaster och klimatförhållanden och behöver undersökas mer. Om detta system ska användas i Sverige bör det övervägas att använda en kombination av lokala svenska byggmaterial och tillverkarens rekommendationer för installering. Därför har det blivit

prestandautvärdering under simulerad trafiklast och klimatförhållanden. Ett förslag på

testbädd med lagringstank kan ses i Figur 25, men de givna dimensionerna bör justeras baserat på den önskade trafiklasten och rekommendationerna gällande vald modell och byggråden från tillverkaren. Den långsiktiga prestandan hos den slutgiltiga testbädden bör utvärderas under verklig trafik med hjälp av VTI:s HVS och med olika vattenförhållanden.

6. Smart Trap: Uponor Smart Trap har en enkel konstruktion. Genom en perforerad skiljevägg inuti sandfångsbrunnen förhindras vattnet att virvla runt och dra med sig både gammalt och nytt sediment. Dessutom ökar den filtreringseffekten i brunnen. Den patenterade lösningen har utvecklats och testats under fyra år av University of Minnesota’s St. Anthony Falls Laboratory i USA, se Figur 26. Testerna har fokuserat på två parametrar: hur effektiv lösningen är på att samla in sediment och hur väl den förhindrar insamlat sediment från att virvla med ut vid höga vattenflöden. Resultaten visar att med Smart Trap samlas mer sediment upp och stannar kvar vid normala vattenflöden.

Smart Trap systemet representerar också en ny dagvattenteknik som är intressant från perspektivet av vägar med hänsyn till den tekniska utformningen och kräver vidare

utvärdering, speciellt rörande långsiktig stabilitet och systemets hållbarhet under simulerad trafiklast och klimatförhållanden.

Användningen av tidigare nämnd underjordisk dagvattenteknik kan vara lämpligt för att tillhandahålla akut hantering av mycket stora mängder dagvatten och förebygga eventuell översvämning av gator, som det som hände nyligen i Umeå i november 2020. Även om svackdiken och regnbäddar ger en grönare känsla till gatorna är det rekommendabelt att använda föreslagna underjordiska

dagvattenlösningar (efter att ha kontrollerat teknikernas lämplighet med hjälp av långsiktig

trafikbelastning). För att ge en grönare känsla till gatorna, istället för svackdiken och regnbäddar som kräver större utrymme, kan det planteras träd och anläggas vertikala vegetationskoncept med hängande växter (tex vertikala trädgårdar och levande, gröna väggar) för att göra smala gator grönare och mer miljövänliga.

Figur 25. Rekommendationer för testbädd som möter utmaningarna för klimatändringarna (Stormvattenkontroll med lagringstank), ej skalenligt.

Figur 26. Smart Trap (Källa: Uponor, 2020-11-11).

Gällande snöröjning i framtiden kommer kortvariga snöfall att öka, som på sikt eventuell gradvis minskar, i de norra delarna (Klimat- och sårbarhetsutredningen, 2007). Utöver det hanterar förarlös fordonsteknik inte snö väl än, enligt Sohrweide (2018). Därför, för att undvika ansamling av snö och is på vägytan och för att halkbekämpa för befintliga fordon och framtida autonoma fordon,

rekommenderas att värmesystem bäddas in i vägkroppen för att lösa detta problem. Genom att värma gatan eller vägen är det möjligt att nå gott resultat i ökad tillgänglighet och trafiksäkerhet på vintern (som i fallet med Göteborgsbacken på RV40 i Jönköping). Enligt Sundberg och Lidén (2014) kan

olika slags energi användas för att värma vägen, speciellt stadsnära, tex fjärrvärme. De tillägger att det inte är tekniskt svårt att värma vägen, men det bör göras på ett miljövänligt och energieffektivt sätt, och till rimlig kostnad. Därför har många studier utvärderat värmesystem för väg från ett ekonomiskt perspektiv med hänsyn till olika inverkande faktorer. Mer detaljer om investerings- och

underhållskostnader för specifika vägvärmesystem som används i Sverige ges av Sundberg (2014) och Kåhre (2020).

I Sverige har det studerats i detalj att lagra solenergi i berg, eftersom det är den mest allmänna

tekniken, den är miljövänlig och har låg känslighet för framtida energiprisökningar. Systemet består av ett rörsystem i gatan eller vägen som cirkulerar lagrad solenergi så att snö och is smälter. På sommaren fungerar gatan/vägen som en solfångare och energin lagras i marken. Rören läggs under det översta lagret med asfalt. Behöver vägen asfalteras om, kan rörsystemet ligga kvar.

Olika fördelar med vägvärmesystemet med lagrad solenergi har rapporterats av Sundberg och Lidén (2014). Systemet är energieffektivt upp till 90 % minskad energianvändning genom gratis solenergi och den effektiva avisningen av gatan/vägen och därmed minskad olycksrisk och förbättrat trafikflöde på vintern. Det möjliggör för ”smarta gator”, tex högfriktionsyta som kan vara frostkänsligt och minskar också spårbildning för att vägen kyls under sommaren.

Enligt Sundberg (2014), lades i Jönköping vid Göteborgsbacken värmeslingor på en sträcka om 1500 meter. Värmeslingorna är 2,5 cm i diameter och de ligger i asfalten, cirka 12 cm under ytan. Slingorna ligger med cirka 25 centimeters mellanrum och är anslutna till fjärrvärmenätet i Jönköpings kommun. För att inte is ska ansamlas i kanten på vägbanan och förhindra smältvattnet från att rinna av, läggs slingorna en bit utanför det översta asfaltslagret, se Figur 27 och Figur 28.

Den tekniska utformningen som anges i Figur 28 skiljer sig från den som ges i Figur 2, som används i denna rapport som en testbädd för olika nya tekniker.

Rörvärmesystemet är speciellt intressant utifrån utformnings- och byggnadsperspektivet, eftersom det påverkar gatans/vägens tekniska utformning och dess långsiktiga prestanda under olika trafiklaster och klimatförhållanden och kräver vidare undersökning. Enligt Sundberg & Lidén (2014), behöver den tekniska utformningen och materialen i markvärmesystemen undersökas och dimensioneras närmare. Exempel kan vara uppsamling av vatten, isolering, rörmaterials hållfasthet och temperaturkrav, utformning som klarar trafiklaster, värmeledning i asfalt, utformning så att underhållet inte försvåras etc. Delar av detta kan med fördel göras i forskningsprojekt vilket i förlängningen kan leda till bättre prestanda. Därför rekommenderas det att prova rörvärmesystemets långsiktiga prestanda med vägutformningen som ges i Figur 29 i full skala med VTI:s accelererade provningsanläggning, dvs HVS-provning.

Figur 28. Uppbyggnad av det tredje körfältet i Göteborgsbacken. Uppvärmning sker i den branta delen av backen (Källa:Trafikverket, 2006 a/b).

Figur 29. Rekommendationer för testbädd som möter utmaningarna för klimatändringarna (med värmeslingor), ej skalenligt.

Dessutom bör flera steg tas hänsyn till i utformningen av vägar som klarar av att motstå framtida utmaningar med klimatförändringar, inklusive ändrad standardasfalt, ändrad ballast till en som har mindre benägenhet att strippas, och brott i armering för att minska sättningar.

huvudsakligen skador av jordfuktighet. Detta går i linje med behoven av förstärkning för att motstå framtida utmaningar med såväl klimatförändringar som digitalisering i form av autonoma fordon. Tillsatser (såsom kalksten, cement eller annat) som används för att stabilisera förstärkningslager är ett bra alternativ för att stabilisera vägkroppen. I fallet att stabilisera med kalksten sker stabiliseringen när kalkstenen blandas in i en reaktiv jord för att skapa långsiktig styrka genom pozzolanisk reaktion. Det måste vara en reaktiv jord, bra blandningsrecept och pålitliga byggrutiner för att denna

stabiliseringsmetod ska fungera.

Enligt Franzén et al (2012), vid terrasstabilisering så är det på terrassytan för den planerade vägen som man fräser in bindemedel som förbättrar bärigheten för terrassen. Ytstabilisering är vanligen begränsat till skikttljocklekar på upp till 350–400 mm, för att erhålla en tillfredställande packning.

Terrassens stabilisering är speciellt intressant utifrån det utformningstekniska perspektivet eftersom det påverkar den tekniska utformningen av gator och vägar och hjälper till att förstärka vägkroppen för att bättre motstå fuktskador som representerar en av de största klimatrelaterade utmaningarna. Den andra intressanta poängen är att den långsiktiga prestandan och lämpligheten hos stabiliserade terrasser jämfört med ostabiliserade kräver vidare undersökning med simulerad långsiktig

trafikbelastning och olika klimatförhållanden (tex genom att använda VTI:s HVS). Figur 30 illustrerar en rekommenderad testbädd med ostabiliserad och grunt stabiliserat terrass som bör klara av att motstå fuktskador mer än det ostabiliserade. Stabiliserat terrasser bidrar också till att bättre motstå vägskador som orsakas av autonom konvojkörning. Därför bör effekten av stabiliserat terrass på vägprestandan under blöta förhållanden undersökas i fullskaleprov för att numerärt identifiera fördelarna med den stabiliserade sektionen. I Figur 30 är vägbädden uppdelad i två halvor. I ena halvan är terrassen stabiliserad med en stabiliseringsagent (tex kalk) medan terrassen på andra halvan lämnas ostabiliserad.

Notera att alla föreslagna förstärkningar för att motstå klimatförändringar också kan bidra till att motstå utmaningen med kanaliserad trafik med autonoma fordon som belysts tidigare (tex den fiberarmerade asfalt som föreslås i Figur 14 för att motstå konvojkörning och kanaliserad autonom trafik kan också bättre motstå klimatförändringar än traditionell asfalt). Det viktigaste är att dessa antaganden godkänns under långsiktig trafikbelastning och svåra klimatförhållanden.

Figur 30. Rekommendationer för testbädd som möter utmaningarna för klimatändringarna (Stabiliserad terrass), ej skalenligt.

5.

Omkonfigurerbara gator

Konceptet med omkonfigurerbara gator har lyfts på sistone och fokuserar på flexibel utformning av gator.

Enligt NR2C (2008) är den tydligaste lösningen för smart design av gatunätet, utöver att utöka gatunätet, att skapa tillfällig kapacitet innanför och/eller utanför vägnätet. Därför är det första kravet smidiga anslutningar och förbifarter mellan olika vägnät. Ett ganska enkelt sätt att uppnå extra kapacitet i vägsystemet är att tillåta användandet av hårda vägrenar under rusningstrafik och vid olyckor. Detta innebär att hänsyn bör tas redan från utformningsstadiet att ett körfält som tilldelats för tex fordon i framtiden enkelt och ekonomiskt kan ändras till en gång- och cykelväg eller tvärtom. Ibland innefattar omkonfiguration av gator lagning, skyltning, vägmarkering och installation av gummivägkant eller till och med att tillåta extra utrymme för försäljning eller restaurangaktiviteter utomhus. Delar av omkonfigurerbara gator bör vara enkla att ta bort och återinstallera för

underhållsarbete.

Från byggnadsperspektivet kräver omkonfigurerbara gatkonceptet byggmaterial som enkelt och ekonomiskt kan installeras och tas bort med hänsyn till de tekniska egenskaperna och miljömässiga aspekterna hos de använda materialen. En prototyp på ett modulärt beläggningssystem som kan anpassas efter förändrade behov gör gatorna omkonfigurerbara, säkrare och mer tillgängliga för alla,