Skillnader i ytegenskaper

Ytegenskaper som är viktiga för vägens funktion omfattar bl.a. jämnhet och textur, friktion mellan vägyta och däck, buller samt motståndskraft mot spårbildning. En betongbeläggning utsätts endast för spårbildning från slitage och då främst orsakat av fordon med dubbdäck. En omfattande studie där fertalet av dessa parametrar studerats presenteras av Wiman et al. (2009). Nitton olika

observationssträckor med olika typer av asfalts- och betongbeläggningar har följts under en

tioårsperiod för att studera förändringen av ovan nämnda parametrar. Tvärproflen har mätts både med RST-bil och med Primal (Engman, 1982).

Resultaten visar att spårdjupstillväxten pga. slitage är något mindre hos betongbeläggningen, 0,1-0,3 mm/år, jämfört med asfaltsneläggningen, 0,2-0,5 mm/år. Även spårdjupstillväxten pga. plastiskt deformation har följts under en sjuårsperiod. Endast de asfaltsbeläggningarna har följts då

deformationen i betong kan anses vara försumbar. Mätningarna visar att spårdjupen över lag ökar mer till följd av plastisk deformation jämfört med slitaget från dubbdäck (Wiman et al., 2009).

Gällande jämnhet i längdled (IRI) presenterar Wiman et al. (2009) resultaten från åtta mätningar som genomförts under åren 1996-2006. Mätningarna visar att ojämnheterna utvecklas långsamt hos asfaltsbeläggningarna medan betongbeläggingarnas ojämnheter i stort sett är oförändrade över den studerade tioårsperioden. Om friktionen kan sägas att den pendlar något upp och ner över åren för betongssträckorna men att friktionstalen efter tio år är i stort sett desamma som de var vid första mättillfället. Inga dramastiska skillnader blir det för asfaltsbeläggningarna även om de vid det sista mättillfället har något högre friktionstal jämfört med tio år tidigare.

3.2.5. Skillnader i materialegenskaper

Som tidigare diskuterats i denna rapport är beläggningens styvhet omdiskuterad då det gäller dess påverkan på rullmotståndet och bränsleförbrukningen. Anledningen till att materialstyvhetens inverkan på rullmotståndet är så omdiskuterad är att det är svårt att åstadkomma experiment där endast

styvheten ändras och bibehålla alla andra parametrar konstanta genom hela experimentet. Faktorer som t.ex. vind och rådande trafksituation är svåra att styra över och att hålla konstanta för att genomföra tester. Istället redovisar Lu et al. (2010) en studie där man genomfört en numerisk modellering för att isolera beläggningsstyvhet som den enda parameter att ändra på. Slutsatserna som dras i studien är att det översta bundna lagrets styvhet påverkar rullmotståndet i mycket större utsträckning än hela vägkroppen i sin helhet. Det översta lagret gavs sex olika styvheter mellan 1000 MPa och 11000 MPa där de olika styvheterna representerar olika beläggningstyper. Ett tydligt icke-linjärt samband kunde uppvisas utifrån simuleringen, särskilt vid materialstyvheter lägre än 3000 MPa får styvheten en större inverkan på rullmotståndet jämfört med högre styvheter. Även materialstyvhetens inverkan på

rullmotståndet vid olika fordonshastigheter jämfördes i studien där det kunde konstateras en liten men tydlig skillnad, rullmotståndet blir högre vid höga hastigheter jämfört med vid låga hastigheter. Dock dras slutsatsen utifrån studien att materialstyvheten endast har en mycket liten inverkan på

bränsleförbrukning då den ställs i jämförelse med andra parametrar.

3.2.6. Utförda studier

VTI har under åren 2008-2010 genomfört tester för att jämföra bränsleförbrukningen för olika

fordonstyper på asfalts- och betongbeläggningar på E4 norr om Uppsala (Hultqvist, 2013; Jonsson och Hultqvist, 2009). Två sträckor, en med asfaltsbeläggning och en med betongbeläggning, med så lika profler och plansträckning som möjligt, identiferades som teststräckor vid mätningarna 2008. Sträckorna ligger nära varandra, är vardera 1 km långa och mätningarna utfördes under två

sommarnätter med lugna väderförhållanden. Totalt genomfördes 24 mätrundor, dvs. att både asfalten och betongen testades 24 gånger i vardera riktningen. Vägytedata såsom MPD, IRI, spårdjup och backighet registrerades utmed beläggningarna 2008 och 2010. Högre IRI och lägre MPD uppmättes

VTI rapport 1038 32

hos betongen jämfört med asfalten. Vid jämförelse av vägytedata vid det två mättillfällena visade det sig att MPD hade blivit något högre för betongen och något lägre för asfalten 2010 jämfört med två år tidigare, medan IRI var oförändrat. Vid båda mättillfällena visade bränsleförbrukningsmätningarna för personbil 1,1 procents lägre förbrukning på betong jämfört med asfalt. De uppmätta resultaten

jämfördes med bränsleförbrukningsberäkningar utförda enligt VETO-modellen (Hammarström och Karlsson, 1987) där man tar hänsyn till de två sträckornas olika ojämnheter och texturer vilka gav något högre bränsleförbrukning i absoluta tal men med relativa skillnader mellan betong och asfalt på ca 1 procent precis som i mätningarna på E4 (Hultqvist, 2013).

Motsvarande försök genomfördes under 2009-2010 med en lastbil med en totalvikt på ca 60 ton över en sträcka på 4,2 km (Hultqvist, 2013). Asfaltsbeläggningen var av typen ABS och betongbeläggningen hade frilagd yta vilket innebär att det grova stenmaterialet i ytan hade tvättats fram. Testerna

genomfördes i samma område och upplägget var detsamma som för personbilstesterna, två sträckor med så lika profler och plansträckningar som möjligt identiferades som teststräckor. Spårdjupet var större och MPD högre för asfaltsbeläggingarna medan IRI var högre på betongbeläggningen.

Mätningarna genomfördes under två varma sommardagar, en 2009 och en 2010, då styvheterna hos de två beläggningsmaterialen skiljer sig som mest. Vid båda tillfällena genomfördes sex mätningar i vardera riktningen för respektive beläggning. Resultaten visar en lägre bränsleförbrukningen på betongbeläggningen jämfört med asfaltsbeläggningen, 7,2 procent 2009 och 4,9 procent året efter. Någon jämförelse med VETO-modellen genomfördes dock inte och det kan således inte dras några slutsatser om de uppmätta bränsleförbrukningarna endast beror på skillnaderna i MPD och IRI eller om beläggningstyp också haft betydelse.

3.3.

Livscykelperspektivet

En producerad vara eller tjänst kan studeras ur ett livscykelperspektiv för att bestämma vilka konsekvenser varan eller tjänsten har under hela dess livslängd. Framför allt förekommer två olika vertyg; livscykelkostnad och livscykelanalys, som används för att sammanställa den totala ekonomiska kostnaden respektive miljökonsekvens för varans eller tjänstens hela livscykel från vagga till grav.

3.3.1. Livscykelkostnader (LCC)

Livscykelkostnad (LCC) är en analysmetod för att ta hänsyn till kostnader under ett objekts hela livscykel. Livscykeln kan delas upp i olika faser där kostnader uppkommer vid byggande, drift,

underhåll, användande och avveckling. Även andra e˙ekter kan inkluderas såsom risker och hållbarhet. I följande avsnitt kommer LCC beskrivas då metoden används i samband med beläggningsval samt vad som är viktigt vid analyser av rullmotstånd. Slutligen presenteras en översikt över den tillgängliga litteraturen gällande kostnadse˙ektivitet vid minskat rullmotståndet samt en diskussion om livscykelkostnadsperspektivet.

Grunderna för livscykelkostnadsanalysen lades under 1960-talet, där fokus låg på ägandekostnader under livscykeln vid införska˙ande av vapensystem. Därefter har metoden vidareutvecklats för andra system och för vägbeläggningar lades grunden främst vid två projekt under 80- och 90-talen. I Peterson (1985) anpassades metoden för beläggningsval och för o˙entlig verksamhet med att till exempel även inkludera användar- och samhällskostnader. I Walls III och Smith (1998) vidareutvecklades metoden och rekommendationer om grundläggande delar i en LCC-analys lades fram. Fokus i LCC-analysen är att fnna skillnader i kostnader mellan alternativen i främst bygg- och underhållsskedena men även kostnader för trafkanterna i samband med underhåll. I Walls III och Smith (1998) tonas dock vikten av trafkantkostnader för t.ex. bränslekostnader ned vid LCC-analyser på projektnivå. Korrekt val av diskonteringsränta samt risk- och känslighetsanalyser framhävs också som viktiga delar i en analys. Grunden i LCC-analysen är att ta fram kostnader som uppkommer under hela livscykeln för planering, byggande, drift, underhåll, användande samt avveckling. Analysen utförs vanligen på projektnivå där olika alternativ ska jämföras för att fnna det alternativ som ger lägst livscykelkostnad när framtida kostnader har diskonterats till ett nuvärde. LCC-analysen har därför vanligen en så kallad systemgräns

projekt, investeringar och budgetbegränsningar. Resultaten på nätverk- och projektnivå kan därför skilja sig åt. För att avgränsa problemet kan dock en analys på projektnivå möjliggöra enklare analyser som ändå ger indikationer om resultatet på nätverksnivå. För att genomföra analysen krävs först information om kostnader för att utföra byggande eller en viss åtgärd och kan t.ex. inhämtas från byggkalkyler. Den andra viktiga komponenten är att besluta om en tänkt livslängd för beläggningen efter nybyggnation eller åtgärd, t.ex. med historiska data eller tillståndsmodeller. Slutligen krävs modeller för att ta hänsyn till e˙ekter för trafkanterna som t.ex. bränsleförbrukning, trafksäkerhet och miljö samt värderingar av dessa e˙ekter.

LCC-metoden har tillämpats i fera studier med olika perspektiv för val av asfaltsbeläggningar, val av betongbeläggningar och jämförelser mellan asfalt och betong. Dock är antalet studier som jämför livscykelkostnader, energie˙ektivitet och kostnader för trafkanten begränsade. Dessa kan delas upp i de som undersöker olika underhållsstrategier samt de som jämför olika beläggningskonstruktioner och hur detta påverkar bränsleförbrukning. Nedan följer en sammanställning av ett antal studier med olika fall och tillämpningar.

LCC-analysen har tillämpats på ett antal studier vid jämförelse av utformningsalternativ för både asfalt- och betongvägar. I Meneses och Ferreira (2013) undersöktes kostnader för olika asfaltskonstruktioner inklusive kostnader för byggande samt underhålls- och trafkantkostnader. Ett samband erhålls mellan väghållarkostnader och trafkantkostnader och således fås en kostnadse˙ektivitet för den tänkta åtgärden. Haraldsson (2003) utförde LCC-analyser på betongvägar med två olika

konstruktionsalternativ. Ena alternativet var betongväg av äldre utformning och det andra alternativet var modernare med dymlingar och foglister. I analysen ingick bygg-, underhålls- och trafkantkostnader. För det fall som beräknades skulle den modernare konstruktionen vara 5–6 miljoner kronor billigare under livscykeln jämfört med den äldre med både lägre kostnader för underhåll och

bränsleförbrukning. Författaren påpekade dock att e˙ektsamband saknas i studien samt att e˙ekter av underhållsåtgärder på rullmotståndet ej tas hänsyn till och därför undvek man att ens sammanställa totala kostnader i analysen. I Wilde et al. (2001) utvecklades en livscykelmodell för betongvägar som beräknar byggkostnader, tillstånd, underhållskostnader och trafkantkostnader. Dock tillämpades inte modellen på någon fallstudie i den aktuella rapporten.

LCC-analysen har även använts för att jämföra livscykelkostnader mellan asfalt och betong. I Zhang et al. (2010) jämfördes livscykelkostnader för tre konstruktioner: betong-, komposit- och

asfaltsbeläggning. I analyserna inkluderas investerings-, underhålls- och trafkantkostnader. I den aktuella fallstudien var livscykelkostnaderna för betongkonstruktion lägst, följt av

kompositbeläggningen och till sist asfaltsbeläggningen. Det påpekades också att trafkantkostnader var betydligt högre än väghållarkostnader varvid det fnns stor potential att minska bränsleförbrukning med rätt val av beläggning. Liknande resultat uppnåddes i Yu et al. (2013) där också betongbeläggningen var mest kostnadse˙ektiv i en jämförelse med komposit- och asfaltsbeläggningar. I studien optimerades även alternativ med en algoritm för att uppnå lägre livscykelkostnader för varje enskilt fall. Dock gav det ingen påverkan på tidigare nämnda rangordning. I det fallet som studerades var dock trafkmängden hög (70 000 fordon/dygn) och därför kanske mindre aktuell för svenska förhållanden. I Liu et al. (2015) utfördes dels en livscykelanalys (LCA), dels en LCC-analys, för betong- och asfaltsbeläggningar. I studien studerades först energianvändningen med en LCA och sedan väghållarkostnader med

LCC-analys. I fallet som studerades var betongkonstruktionen mer energie˙ektiv med hänsyn till bygg- och underhållsskedena samt användningsfasen. Kostnadsanalysen visade att asfaltskonstruktion gav lägre nuvärdeskostnad när endast väghållarkostnader för produktion och underhåll inkluderades. Författarna påpekade att om energibesparingarna skall värderas och inkluderas i analysen skulle istället betongbeläggningen kunna bli mer kostnadse˙ektiv. I Batouli et al. (2017) jämfördes en

asfaltskonstruktion med två betongkonstruktioner med hjälp av LCA och LCC-analys. I det verkliga fallet som användes hade asfaltskonstruktionen något högre livscykelkostnad än de båda

betongkonstruktionerna när nuvärdena jämfördes på grund av högre underhållskostnader och trafkantkostnader. Om rena kostnader (0% ränta) jämfördes var skillnaden betydligt högre. Detta speglades även vid jämförelse i energi där förbrukningen för asfaltsbeläggningen blev betydligt högre under livscykeln. Författarna påpekade att känsligheten i resultaten blir betydande när olika alternativ jämförs. Slutligen jämfördes lönsamheten mellan betong- och asfaltsbeläggningar i Fäldner och

VTI rapport 1038 34

Lenngren (2012). Enligt författarna kan betongbeläggningar reducera bränsleförbrukningen med 4-5,5 procent. Med det antagandet beräknades ett lönsamhetsmått för olika trafkmängder och olika andelar tung trafk på högtrafkerade vägar (ÅDT≥12000) för att ge en sammanvägd kostnadsbild av de olika beläggningstyperna. Studien visar att en bränslereduktion på 4 procent på betong jämfört med asfalt gör betongen lönsam vid höga trafkmängder (ÅDT≥20000) och/eller stora andel tung trafk (≥30%). När bränslereduktionen på betongbeläggningen beräknades vara 5,5 procent visades betongen vara lönsam i de festa fall, alltså även vid lägre trafkmängder och lägre andel tung trafk.

Utifrån dessa studier går det dock inte dra slutsatser om lägsta livscykel- och trafkantkostnader samt energie˙ektivitet för olika konstruktioner. Dels varierar systemgränser och vad som inkluderas i analyserna, dels beror det på varje enskild fallstudie. Vid högre trafkmängder visar många studier att betongvägar ger både lägre väghållarkostnader och bränslekostnader. Inkluderandet av

bränslekostnader kan göra att betongvägar blir lönsammare än asfalt vid ännu lägre trafkmängder. Ytterligare en aspekt är att samtliga studier redovisade här har varit på projektnivå. På nätverksnivå prioriteras budgetbegränsningar varvid alternativ som analyseras på projektnivå med högre

investeringskostnader, inte behöver vara lönsamma på nätverksnivå. Detta diskuteras i till exempel Harvey et al. (2014) där livscykelanalysen kombineras med Pavement Management System (PMS). Även om det inte går att dra generella slutsatser av aktuella studier är utvecklande av LCC-modeller en viktig del för att ge beslutsfattare stöd i varje situation, t.ex. där det idag saknas en robust modell för betongvägar.

3.3.2. Livscykelanalys

I Carlson (2011) sammanställs några av de vetenskapliga studier som med livscykelanalysmetoden beskrivit miljöpåverkan, energiåtgång och resursanvändning för vägar och vägbeläggningar. Sammanställningen är avgränsad till studier som genomförts i Europa sedan mitten av 90-talet. I de festa av dem undersöks vägen i ett livscykelperspektiv som omfattar konstruktion och underhåll medan trafkens bidrag inte inkluderas. De studier som inkluderar trafken kommer till slutsatsen att den utgör den största andelen av den totala energianvändningen i en vägs livscykel. Till exempel visar Stripple (2001) att summan av konstruktion, drift och underhåll utgör mellan 4,7 till 6,6 procent av den totala energianvändningen för en väg beroende på vägtyp. Mroueh et al. (2001) beräknade en ännu lägre andel där de kom fram till att konstruktion utgör 0,1 till 0,2 procent av totala energianvändningen. Häkkinen och Mäkelä (1996) uppskattar att de emissioner som trafken ger upphov till under en analysperiod på 50 år är långt större än de från lossning av material, läggning av väg, underhåll samt belysning. I den jämförelsen antogs att bränsleförbrukningen var oberoende av materialval i

beläggningen men man påpekar även att en sänkning av bränsleförbrukningen med 0,1–0,5 procent skulle minska utsläppen med storleksordningen av samtliga övriga utsläpp kopplat till byggande, drift och underhåll. Chappat och Bilal (2003) visar att trafkens energibehov är mellan 10 till 345 gånger större än vad som används till konstruktion och underhåll av beläggning under 30 år. Den stora variationen beror på om det rör sig om lätt eller tung trafk. I en jämförelse av asfalts- respektive och betongvägar visar de ingående studierna att betongvägar totalt sett behöver mer energi jämfört med asfaltvägar för konstruktion, underhåll och drift. Samma slutsats drar Beuving et al. (2004) i deras översikt. I Stripple (2001) samt Stripple och Erlandsson (2004) beräknas skillnaden i energianvädning till ca 4 TJ för en 1 km lång vägsträcka och under en analysperiod på 40 år där asfaltvägen krävde 23 TJ och betongvägen 27 TJ.

Ingen av de ovan beskrivna studierna har dock tagit hänsyn till att olika textur påverkar rullmotstånd och därmed trafkens bränsleförbrukning. Som en del i MIRIAM-samarbetet har det genomförts två olika studier som syftar till att undersöka detta samt se till rullmotståndets betydelse för energibehoven i ett livscykelperspektiv (Karlsson et al., 2012; Wang et al., 2012a).

I Karlsson et al. (2012) gjordes fallstudier av två vägsträckor med asfaltsbeläggning som hade olika egenskaper: en motorväg av god kvalitet och hög ÅDT jämfördes med en riksväg med sämre

bränslebehov som beräknades med beaktande av IRI och MPD och dess utveckling. Resultaten visar att en underhållsåtgärd som leder till ett lägre rullmotstånd under analysperioden kan leda till en lägre total energianvändning (summan av energianvändning från trafk och underhåll), även om det innebär att underhållet i sig kräver mer energi. Anledningen är att underhållet endast utgör en mindre del av den totala energianvändningen. För de två fallstudierna utgör energianvändningen från underhåll mellan 0,3 och 2,5 procent av den totala energianvändningen, där andelen blir mindre ju högre trafkvolym det är på vägen. Skillnaderna i total energianvändning mellan de olika

underhållsalternativen var dock inte så stor, mellan 0,2 och 2,0 procent mellan den med lägst respektive högst energianvändning.

Den andra studien genomfördes vid University of California i Davis och den bestod av fyra fallstudier av plana vägar med olika konstruktion, vägyteegenskaper och trafkföden. Syftet med studien var att jämföra vilka konsekvenser ett tänkt underhåll av vägkonstruktioner har i förhållande till att avvakta med underhållet till dess att en mer akut, djupgående åtgärd krävs. Två av vägarna hade

asfaltsbeläggning i studien; en med en tät, konventionellt varmblandad asfalt (HMA) och en med en öppnare struktur med gummiinblandning (RHMA). De andra två vägarna hade betongbeläggningar där två olika material använts; en högpresterande portlandcement (Type III PCC) samt en betong med kalciumsulfoaluminat (CSA) (Wang et al., 2012a). Ingående data i fallstudierna för de fyra vägarna i Kalifornien redovisas i Tabell 6.

Tabell 6. Data för de fyra fallstudier som ingått i jämförelsen utförd av Wang et al. (2012a).

Fallstudie Plats Väg Beläggning Period (år) Längd (m) Antal fler Filbredd (m) ÅDT

Andel tunga fordon

KER-5 BUT-70 LA-5 IMP-86 Kern I-5 söder Butte SR-70 väster Los Angeles I-5 söder Imperial SR-86 väster Asfalt 5 Asfalt 5 Betong 10 Betong 10 16 093 8 042 16 093 8 042 2 2 4 2 3,66 3,66 3,66 3,66 34 000 3 200 86 000 11 200 35 % 15 % 25 % 29 %

För respektive väg fanns olika åtgärder som kunde genomföras, vilka skulle resultera i olika jämnhet på vägytan (IRI). Åtgärderna delades in i olika nivåer beroende på vilket IRI vägbanan skulle få efter genomförd åtgärd. Även olika nivåer på trafkökningen, 0 och 3 procent, inkluderades i beräkningarna. För asfaltvägarna jämfördes två åtgärder som sänkte IRI till 1,00 mm/m respektive 1,67 mm/m. På motsvarande sätt jämfördes olika åtgärder även för betongbeläggningarna men där studerades tre olika åtgärder, där respektive åtgärd sänkte IRI till olika nivåer. I Figur 15 och Figur 16 redovisas den totala energibesparing (eller -förlust) som erhölls för en beräknad livslängd på 5 år för asfaltsbeläggningarna och 10 år för betongbeläggningarna. Fallstudierna för asfalten betecknades KER-5 och BUT-70 och för betongen LA-5 och IMP-86.

VTI rapport 1038 36

Figur 15. Total energibesparing under 5 år med underhållsåtgärd på asfaltsbeläggning.

Figur 16. Total energibesparing under 10 år med underhållsåtgärd på betongbeläggning.

I likhet med Karlsson et al. (2012) så innebar en åtgärd som minskar rullmotståndet en större besparing sett ur ett livcykelperspektiv på en väg med hög ÅDT jämfört med en väg med låg ÅDT. Jämförs Figur 15 och Figur 16 med Tabell 6 syns ett tydligt samband mellan hög ÅDT och en stor

energibesparing. Med en låg ÅDT är vinsten inte lika stor och det kunde i vissa fall även leda till ett negativt resultat, det vill säga att en genomförd åtgärd leder till en totalt sett större energianvändning,

mindre åtgärd med ett högre IRI.

Även om både asfalt och betong fnns representerade som alternativ, anser författarna att dessa alternativ inte kan jämföras direkt med varandra. Detta beror på att det vid studiens genomförande