Energieffektivitet hos beläggningar för tyngre trafik : En litteraturöversikt

Energieffektivitet hos

beläggningar för tyngre trafik

En litteraturöversikt

VTI rapport 1038

Energie˙ektivitet hos beläggningar för

tyngre trafk

En litteraturöversikt

Författare: Ellen Dolk (VTI), Annelie Carlson (VTI), Jonas Wennström (VTI), Henrik Bjurström (VTI) Diarienummer: 2015/0651-9.2

Publikation VTI rapport 1038 Utgiven av VTI, 2020

Referat

En vägs energie˙ektivitet bestäms till stor del av fordonens färdmotstånd. En del av detta utgörs av rullmotståndet och innefattar interaktionen mellan däck och vägyta. Ett lågt rullmotstånd under vägens livslängd kan därför väga upp för en större energianvändning i produktionsfasen. Målet med detta projekt var riktat mot att studera beläggningens rullmotstånd. Rullmotståndet har visats ha ett tydligt samband med beläggningens vägytemått såsom ojämnheter och vägytestruktur. Dessa egenskaper påverkar rullmotståndet och kan i olika utsträckning minska bränsleförbrukningen. Fastän tidigare rapporter visat att man erhållit en lägre bränsleförbrukning för betongbeläggningar jämfört med asfaltbeläggning har ingen hänsyn tagits till vägarnas ytegenskaper. Detta anses vara en betydande brist eftersom ytegenskaperna har en betydande inverkan på rullmotståndet. Sett ur ett livscykelperspektiv visar litteraturen ett fertal fallstudier som säger att mer omfattande underhållsåtgärder ofta är mer energie˙ektivt, även om det kräver mycket energi i produktionsfasen, eftersom denna ofta kan räknas hem genom att skapa ett lågt rullmotstånd.

Titel: Energie˙ektivitet hos beläggningar för tyngre trafk. En litteraturöversikt

Författare: Ellen Dolk (VTI, https://orcid.org/0000-0001-7440-3572)

Annelie Carlson (VTI, https://orcid.org/0000-0002-8957-8727) Jonas Wennström, (VTI)

Henrik Bjurström (VTI, https://orcid.org/0000-0002-5665-8288)

Utgivare: VTI, Statens väg- och transportforskningsinstitut

www.vti.se

Serie och nr: VTI rapport 1038

Utgivningsår: 2020

VTI:s diarienr: 2015/0651-9.2

ISSN: 0347-6030

Projektnamn: Energie˙ektivitet hos beläggningar för tyngre trafk

Uppdragsgivare: VTI

Nyckelord: Betongväg, energie˙ektivitet, rullmotstånd, färdmotstånd, textur,

ojämnhet

Språk: Svenska

Abstract

The energy eÿciency of a pavement is mainly determined by vehicles’ driving resistance. A part of this consists of rolling resistance and covers the interaction between the tyre and pavement surface. A low rolling resistance during a pavement’s service life may counterbalance a higher energy consumption encountered during the production phase. The aim of this project was to study the rolling resistance properties of pavements. Rolling resistance has been shown to have a clear relation to pavement surface properties such as unevenness and surface texture. These properties a˙ect rolling resistance and can, to a varying extent, reduce fuel consumption. Although earlier reports have shown lower fuel

consumption rates on concrete pavements compared to asphalt pavements, surface properties were not taken into account. This is considered to be a shortcoming since the properties have a considerable e˙ect on rolling resistance. From a life cycle perspective, literature demonstrates multiple case studies that say more comprehensive maintenance measures are often more energy eÿcient, even though they require more energy in the production phase, since net energy levels will often be lower due to the reduced rolling resistance.

Title: Energy eÿciency of pavements for heavy vehicles. A literature survey

Author: Ellen Dolk (VTI, https://orcid.org/0000-0001-7440-3572)

Annelie Carlson (VTI, https://orcid.org/0000-0002-8957-8727) Jonas Wennström, (VTI)

Henrik Bjurström (VTI, https://orcid.org/0000-0002-5665-8288)

Publisher: Swedish National Road and Transport Research Institute (VTI)

www.vti.se

Publication No.: VTI rapport 1038

Published: 2020

Reg. No., VTI: 2015/0651-9.2

ISSN: 0347-6030

Project: Energy eÿciency of pavements for heavy vehicles

Commissioned by: VTI

Keywords: Concrete pavement, energy eÿciency, rolling resistance, driving

resistance, texture, unevenness

Language: Swedish

No. of pages: 45

Förord

Detta projekt initierades 2015 och har sedan dess bearbetats i omgångar av Ellen Dolk, Annelie Carlson, Jonas Wennström och Henrik Bjurström, samtliga arbetande på VTI vid tiden för författarskapet. Projektet är ämnat att ge en översikt av aktuellt forskningsläge gällande energie˙ektivitet hos vägbeläggningar och då främst med avseende på tung trafk.

Projektet är fnansierat av Trafkverket där Björn Kullander och Åsa Lindgren varit kontaktpersoner. Linköping, mars 2020

Henrik Bjurström Projektledare

Kvalitetsgranskning

Extern peer review har genomförts 3 april 2020 av Björn Kullander, Trafkverket, som godkänt rapporten. Forskningschef Björn Kalman har därefter godkänt publikationen för publicering 6 april 2020. De slutsatser och rekommendationer som uttrycks är författarnas egna och speglar inte nödvändigtvis myndigheten VTI:s uppfattning.

Quality review

External peer review was performed on 3 April 2020 by Björn Kullander, Trafkverket, who approved the report. The research director Björn Kalman have examined and approved the report for publication on 6 April 2020 . The conclusions and recommendations expressed are the authors’ and do not

necessarily refect VTI’s opinion as an authority.

Innehållsförteckning

3.1.1. Vägytans textur och material . . . 17

3.1.2. Vägytemått och deras inverkan på rullmotstånd . . . 18

3.1.3. Däck . . . 21

3.1.4. Rullmotstånd och bränsleförbrukning . . . 22

3.2. Beläggningar . . . 25

3.2.1. Asfaltvägar . . . 26

3.2.2. Betongvägar . . . 29

3.2.3. Drift- och underhållsåtgärder . . . 31

3.2.4. Skillnader i ytegenskaper . . . 32 3.2.5. Skillnader i materialegenskaper . . . 32 3.2.6. Utförda studier . . . 32 3.3. Livscykelperspektivet . . . 33 3.3.1. Livscykelkostnader (LCC) . . . 33 3.3.2. Livscykelanalys . . . 35

4. Diskussion och slutsatser . . . 39

Sammanfattning

Energie˙ektivitet hos beläggningar för tyngre trafk – En litteraturöversikt

av Ellen Dolk (VTI), Annelie Carlson (VTI), Jonas Wennström (VTI) och Henrik Bjurström (VTI) Energianvändningen för en väg består av många delar. I produktionsfasen samt vid underhållsåtgärder förbrukas mycket energi under kort tid. Den största andelen energi som kan kopplas till vägen

förbrukas dock av trafken under hela dess livslängd. Därför är det viktigt att studera trafkens energie˙ektivitet eftersom relativt små förändringar kan få stora e˙ekter räknat över vägens hela livslängd. Fordons färdmotstånd studerades därför i detta projekt och i synnerhet dess rullmotstånd -den del av färdmotståndet som kopplas till interaktionen mellan däck och vägyta. Beroende på körförhållande och fordonstyp motsvarar rullmotståndet ca 5–40 procent av det totala färdmotståndet. Det har observerats i tidigare forskning att ytegenskaper såsom textur (Mean Profle Depth, MPD) och ojämnheter (International Roughness Index, IRI) har en inverkan på rullmotståndet. Hur stor

betydelsen är varierar dock mellan olika analyser. Variationen i resultaten kan bero på svårigheter att utföra jämförbara mätningar men också på att det kan vara svårt att isolera texturens och ojämnhetens påverkan i mätningar. Även beläggningens styvhet och nedböjning kan i viss mån påverka

rullmotståndet. Storleken på denna inverkan är dock oklar. E˙ekterna av dessa parametrar anses ännu inte vara klarlagda.

Ju högre färdmotstånd ett fordon har, desto högre är energibehovet och därmed bränslebehovet. Tidigare studier har genomförts för att ta reda på hur fordons bränsleförbrukningen varierar mellan körning på betong- och asfaltvägar. Fastän fera av dessa studier indikerar att bränsleförbrukningen skulle vara högre på asfaltvägar jämfört med betongvägar råder osäkerheter eftersom fertalet inte tagit hänsyn till beläggningarnas ytegenskaper. Detta är en betydande brist eftersom beläggningarnas egenskaper kan ge betydande inverkan på rullmotståndet.

Sett ur ett livscykelperspektiv utgör trafken den största andelen av den energianvändning som sker under en vägs livslängd, ofta över 90 procent. Hur stor andelen är beror på en rad faktorer såsom vägtyp, drift- och underhållsbehov samt trafkmängd. Ju större trafkvolym desto större betydelse har trafken. En minskning av rullmotståndet på högtrafkerade vägar leder till större bränslebesparingar. Dessa åtgärder behöver dock vägas mot den insats av energi som behövs för att åstadkomma ett lägre rullmotstånd. Jämförda fallstudier visar också att det oftast är fördelaktigt att investera mer energi vid själva underhållsåtgärden om den åtgärden kan resultera i ett lägre rullmotstånd, gentemot en mindre underhållsåtgärd som resulterar i ett något högre rullmotstånd.

VTI rapport 1038 10

Summary

Energy eÿciency of pavements for heavy vehicles – A literature survey

by Ellen Dolk (VTI), Annelie Carlson (VTI), Jonas Wennström (VTI) and Henrik Bjurström (VTI) Energy consumption associated with a road consists of many parts. In the production phase and during maintenance works, a large amount of energy is consumed during a short period of time. However, the largest part of energy connected to a road is consumed by traÿc during the roads entire service life. It is therefore important to study traÿc energy eÿciency since small changes can have major e˙ects over the road’s service life. Vehicle driving resistance was therefore studied in this project and, in particular, its rolling resistance - the part of the driving resistance connected to the interaction between tyre and road surface. Depending on driving conditions and vehicle type, the rolling resistance corresponds to 5–40 percent of the total driving resistance.

It has been observed in studies that road surface properties such as texture (Mean Profle Depth, MPD) and unevenness (International Roughness Index, IRI) have an impact on rolling resistance. However, the signifcance varies between di˙erent analyses. The variation in the results may be due to diÿculties in performing comparable tests and that it is often diÿcult to isolate the e˙ect of texture and

unevenness during the tests. In addition, pavement sti˙ness and defection may also have an e˙ect on rolling resistance. However, the impact from these parameters is unclear.

The higher the driving resistance of a vehicle, the higher the energy needed and thus fuel requirement. Earlier studies examined how vehicle fuel consumption varied between driving on concrete roads and asphalt roads. Although several of these studies showed a lower fuel consumption when driving on concrete roads, most of them did not consider the pavement surface characteristics. This is a signifcant shortcoming because pavement surface characteristics can have a considerable e˙ect on rolling

resistance.

From a life cycle perspective, traÿc accounts for the largest share of energy consumption during a road’s service life - often over 90 percent. How large the proportion is depends on a number of factors such as road type, operation and maintenance requirements, and traÿc volume. The higher the traÿc volume is, the greater the share of the total energy use. Reducing rolling resistance on high-traÿc volume roads will lead to greater fuel savings. However, these measures need to be weighed against the amount of energy needed to achieve a lower rolling resistance. Compared case studies also show that it is often benefcial to invest more energy on the maintenance measure itself if it can lead to a lower rolling resistance, compared to a less comprehensive maintenance measure leading to a higher rolling resistance.

VTI rapport 1038 12

1.

Inledning

1.1.

Bakgrund

Tendensen i samhället går mot allt tyngre transporter på vägarna, så kallade High Capacity Transports (HGV), och nya stora anläggningar som kan bära stora trafkvolymer som till exempel Förbifart Stockholm. Detta medför att betydelsen blir allt större av att ha hållbara och energie˙ektiva beläggningar för den tyngre trafken. Samtidigt sätts det politiska mål om att snabbt minska transporters och infrastrukturens klimatpåverkan och utsläpp av växthusgaser (Statens o˙entliga utredningar, 2016).

Det vanligaste beläggningsmaterialet i Sverige idag är asfalt, men just vid tung trafk har en

betongbeläggning vissa fördelar. Betong är ett slitstarkt material som inte deformeras av trafklaster och som beläggning kräver det i regel färre underhållsåtgärder än en motsvarande beläggning av asfalt. I tunnlar har betongen även en fördel då den inte antänder vid brand och i och med sin ljusare färg krävs inte lika stark belysning (Silfwerbrand, 2014).

I tidigare undersökningar, däribland Hultqvist (2013) och Jonsson och Hultqvist (2009), har bränsleförbrukningen studerats hos fordon som färdas på betong- och asfaltsbeläggningar. Vid de förutsättningar som rådde vid dessa mätningar, såsom högre makrotextur på asfaltsbeläggningen, visades att betongbeläggningen gav upphov till lägre bränsleförbrukning jämfört med

asfaltsbeläggningen. Mätningar utfördes dock under sommaren då temperaturen är som högst och också skillnaden i styvhet mellan de två materialen är som störst. Även beläggningarnas ytegenskaper skiljer sig något jämfört med varandra och varierar över tid och mätresultaten kan således inte ses som något medelvärde över året. Det är heller inte tydligt klarlagt hur mycket av rullmotståndet som kan härledas till materialets styvhet och hur mycket som beror på vägytans egenskaper. Om rullmotståndet på betong- och asfaltsbeläggningar kan och ska jämföras är det viktigt att klargöra vilka typer av beläggnigar som skall jämföras och vid vilka förhållanden för att undvika risken att det bara blir fallstudier.

1.2.

Mål och syfte

Målet med denna rapport är att utgöra en kunskapsöversikt, en state-of-the-art om skillnader i rullmotstånd, ytegenskaper och bränsleförbrukning mellan asfalts- och betongbeläggningar. Kunskapsöversikten kommer att ge en sammanfattande bild av forskningsläget i ämnet. Vidare kan denna litteraturstudie ge upphov till nya forskningsidéer där kunskap saknas.

Syftet är att resultatet ska kunna användas som underlag vid val av beläggningsmaterial vid ny- eller ombyggnation av vägar för tung trafk. Tillsammans med andra projekt som VTI utför, t.ex.

MIRIAM-projektet, belyser detta projekt energiperspektivet för det svenska vägnätet där energie˙ektivitet blir allt viktigare.

1.3.

Disposition

Efter denna inledning följer Kapitel 2 där arbetsmetoden till denna litteraturstudie beskrivs. Vilka sökord och databaser som använts och på vilket sätt information har sökts förklaras. Kapitel 3 beskriver studiens resultat. Rullmotstånd studeras närmare, hur det påverkas av vägytan och dess olika

egenskaper samt däckens påverkan på rullmotståndet. Även sambanden mellan rullmotstånd och bränsleförbrukning diskuteras i detta avsnitt. Kapitlet fortsätter med en genomgång av skillnaderna mellan asfalt och betong som beläggningsmaterial, vad de medför för respektive ytegenskaper samt hur dimensionering av vägöverbyggnader med de olika materialen skiljer sig åt. Till sist ges en kort

beskrivning om livscykelanalyser och livscykelkostnader avseende vägkonstruktion och -underhåll samt vilka e˙ekter användningen av asfalt resp. betong har. Slutligen sammanfattas och diskuteras resultaten från studien i Kapitel 4.

1.4.

Avgränsningar

Frågan om energie˙ektivitet är mycket omfattande och komplex. Till exempel medför en vägytas textur och ojämnheter både positiva och negativa e˙ekter. En viss textur är positiv då den skapar friktion mellan vägen och fordonets däck, samtidigt kan samma textur öka rullmotståndet och därmed bränsleförbrukningen. Olika våglängder på textur och ojämnheter får olika e˙ekter enligt Figur 1 (Sandberg, 1998). Den här studien är dock fokuserad på energie˙ektivitet vilket ofta handlar om att minska rullmotståndet och lämnar därför andra aspekter som t.ex. friktion därhän.

Figur 1. Olika våglängder på vägytans textur får olika e˙ekter. En ljusare grå nyans motsvarar en posi-tiv e˙ekt medan en mörkare nyans innebär en negaposi-tiv e˙ekt. Figur från Sandberg (1998).

VTI rapport 1038 14

2.

Metod

Litteratursökning har skett genom att använda olika databaser över vetenskapliga artiklar som fnns tillgängliga hos VTI:s bibliotek och informationscenter, t ex Science Direct, Scopus och Summon. Summon omfattar VTI:s bibliotekskatalog och databasen Web of Science. Även en allmän sökning via webben har genomförts för att hitta rapporter som exempelvis skrivits inom olika nationella och internationella samarbetsprojekt.

Artiklar från senaste årens betongvägskonferenser är också med i sökningen.

Nedan följer en lista med sökord som använts i olika kombinationer vid arbetet med denna litteraturstudie. • Asfalt/Asphalt • Betong/Concrete • Rullmotstånd/Rolling resistance • Bränsleförbrukning/Fuel consumption • Energi/Energy

• Livcykelkostnad (LCC)/life cycle cost (LCC) • Livscykelanalys (LCA)/life cycle analysis (LCA) • Vägar/Roads

• Beläggning/Pavement

Sökningarna resulterade i 82 utvalda referenser som relaterade till energiaspekter rörande betong-respektive asfaltvägar. Av dessa är 19 artiklar publicerade i vetenskapliga tidskrifter, 14

konferensbidrag och 43 rapporter från forskningsinstitut eller liknande. Utöver dessa refereras i denna rapport till 3 fackböcker samt 2 dokument utgivna av Trafkverket och 1 webbsida.

3.

Litteraturstudie

Ett fordons totala färdmotstånd beror på ett fertal olika faktorer. Michelin (2003) delar upp färdmotståndet i följande delar:

• Luftmotstånd • Rullmotstånd

• Tröghet vid acceleration • Intern friktion

• Gradient

Ju högre färdmotstånd ett fordon har, desto mer energi och därmed bränsle krävs för att överkomma motståndet och driva fordonet framåt. Hur mycket bränsle som behövs beror på e˙ektiviteten i omvandlingen av den kemiska energin som fnns i bränslet till mekanisk energi samt verkningsgraden vid överföringen till fordonets hjul och axlar. Den största energiförlusten hos fordon med

konventionella förbränningsmotorer sker dock vid själva förbränningen av bränslet där energie˙ektiviteten är ca 25–30 procent (Michelin, 2003).

I sammanhanget har också interaktionen mellan däck och vägyta betydelse eftersom denna samverkan påverkar rullmotståndet. Bidraget till det totala färdmotståndet från de olika delarna varierar med avseende på fordonstyp och hastighet (Beuving et al., 2004; National Research Council, 2006;

Sandberg et al., 2011b). Vid konstant hastighet och ingen lutning så kan man generellt säga att ju högre hastighet desto större andel av färdmotståndet utgörs av luftmotstånd, och ju lägre hastighet desto större andel utgörs av rullmotstånd (Beuving et al., 2004). I ett utrullningsförsök av en personbil respektive lastbil, utfört vid VTI under 2009-2010, beräknades bidraget till färdmotstånd för ett fertal av dessa faktorer (Karlsson et al., 2011). Några av de slutsatser som dras är att färdmotståndet på grund av luftmotståndet ökar med hastigheten och är relativt mer betydande för en personbil jämfört med en lastbil. Rullmotstånd är dock mer betydande för lastbilar än vad den är för personbilar, speciellt vid högre hastigheter. Eftersom beräkningarna utfördes genom utrullning ingår inte framdrivning som komponent. Exempel på de olika komponenternas bidrag till rullmotståndet vid olika hastigheter för en personbil samt en lastbil vid utrullningsförsök illustreras i Figur 2 (Sandberg et al., 2011b).

VTI rapport 1038 16

Figur 2. Olika komponenters bidrag till färdmotstånd för personbil resp. lastbil vid utrullningsförsök. Figur från Sandberg et al. (2011b).

Ett stort fokus har tidigare lagts på att göra själva fordonet mer bränslesnålt genom att exempelvis göra motorerna mer e˙ektiva samt minska dess luftmotstånd (National Research Council, 2006). På senare tid har rullmotstånd kommit mer i fokus. Arbete pågår som syftar till att minska rullmotstånd, både med avseende på däckens utformning men också med tanke på vägytans egenskaper, detta utan att säkerheten äventyras. Tyngre fordon påverkas mer än lättare i absoluta tal av ett förändrat rullmotstånd. Eftersom det kommer att bli fer tyngre fordon på våra vägar gör det att rullmotståndet kan komma att bli än viktigare i framtiden för att få en mer energie˙ektiv transportsektor.

3.1.

Rullmotstånd

3.1.1. Vägytans textur och material

Vägytans bidrag till rullmotstånd sker främst genom att strävhet/textur och oregelbundenhet/ojämnhet påverkar deformationen av däcken (National Research Council, 2006). Texturen brukar ofta delas in i tre olika klasser beroende på texturens våglängdsinnehåll: mikro-, makro- och megatextur. Mikrotextur avser ytan hos de enskilda stenarna och är strävheten hos vägytan där våglängderna på texturen är kortare än 0,5 mm. Makrotextur är ett mått för form och storlek hos stenarna i beläggningen och yttrar sig som skrovlighet på ytan. Hit räknas textur med väglängder mellan 0,5 och 50 mm. Megatexturen beskriver ojämnheter större än vad som täcks av makrotextur, exempelvis potthål och skarvar. Våglängderna omfattar ett spann på 50–500 mm. Vid våglängder längre än 500 mm brukar man tala om vägens ojämnhet. Ojämnhet fnns dels längs med vägen, dels tvärs vägens riktning. Ojämnheter längs vägen omfattar våglängder mellan 0,5 och 50 m och beskriver en sammanvägd bild av alla ojämnheter, t.ex. gupp och sättningar, som fnns på vägytan. Ojämnhet tvärs vägens riktning är spårdjup. Fordon som trafkerar en väg som har en hög textur och/eller ojämnhet kommer att få däck som deformeras mer jämfört med en slät yta och med mer energiförluster som resultat. Vägen kan också bidra till ett ökat rullmotstånd genom defektion, det vill säga att vägytan deformeras av

betydelse där en varmare asfalt deformeras lättare än en kall. En vägyta av betong är styvare på grund av materialets egenskaper och styrka mot trycklaster. Betong är i sig självt relativt oberoende av temperatur, men plattorna som beläggningen består av kan kröka sig (slab curling) uppåt eller nedåt under dygnets temperaturväxlingar. Vid överfarter används då en del av fordonets energi till att motverka plattans krökning vilket medför ett högre rullmotstånd (Lenngren, 2014).

3.1.2. Vägytemått och deras inverkan på rullmotstånd

Av de vägytemått som fnns har MPD (Mean Profle Depth), som beskriver en vägytas makrotextur, visat sig vara väl korrelerat mot rullmotstånd för helt stela beläggningar (Hoever och Kropp, 2015). Det här gäller främst traditionella beläggningar medan beräkningar gjorda för gummiblandade beläggningar inte visar på samma tydliga korrelation. Det kan vara ett tecken på att det fnns ytterligare

energiförluster för denna typ av vägytor som inte fångas upp av befntliga mätmetoder (Hoever och Kropp, 2015). Chatti (2010) visar också att ett högre MPD höjer bränsleförbrukningen mer vid lägre fordonshastighet (35 mph = 56 km/h) jämfört med vid högre hastighet (55 mph = 88 km/h). Skälet till detta nämns inte av författarna men kan antas vara att en förändring av MPD får större relativ

förändring av bränsleförbrukningen vid låga hastigheter jämfört med vid höga hastigheter, dvs. då vindmotståndets inverkan minskar ökar texturens betydelse. Sett till vägytans ojämnhet, mätt med IRI (International Roughness Index), så har också det måttet visat sig vara av betydelse för rullmotståndet (Sandberg et al., 2011b). Även megatextur har i studier visats vara en viktig aspekt för rullmotstånd (Laganier och Lucas, 1990). I fertalet nyare studier har dock megatextur uteslutits som

förklaringsvariabel, något som är fel enligt Sandberg et al. (2011b) då dessa våglängder i högsta grad påverkar rullmotståndet.

I Sandberg (1998) sammanställs resultat från femton vetenskapliga artiklar avseende förändringen i bränsleförbrukning (ΔFC) med en förändring av makrotextur (MPD), megatextur (IRI) och ojämnheter med längre våglängder. I denna rapport används en förenklad omräkning som återges i Ekvation 3.1, där ΔCr är förändringen av rullmotståndskoeÿcienten, för att beräkna förändring av

bränsleförukningen. Förändringen i rullmotståndskoeÿcienten beräknas oftast genom Ekvation 3.2, där Frr är den nödvändiga horisontella kraften för att övervinna rullmotståndet och rulla ett däck i önskad

riktning, och Fz är den aktuella massan multiplicerat med gravitationskonstanten (Ejsmont et al.,

2017).

ΔFC = 0, 25 · ΔCr (3.1)

Frr

ΔC_r = (3.2)

Fz

Sammanställningen (Sandberg, 1998) visar ändringen i bränsleförbrukning till följd av en ökning med en faktor 10 av MPD, IRI och ojämnheter med längre våglängder, det vill säga t.ex. en ökning av MPD från 0,3 mm till 3 mm eller en ökning av IRI från 1 mm/m till 10 mm/m. Bränsleförbrukningen ökar då med MPD 2-21 procent, med IRI 8-14 procent samt med ojämnheter 2-16 procent för personbilar som färdas 50-70 km/h. Detta motsvarar en höjd rullmotståndskoeÿcient på 8-84 procent, 32-56 procent resp. 8-64 procent enligt Ekvation 3.1. E˙ekten är beräknad efter en jämförelse mellan den jämnaste och den ojämnaste vägytan som fnns på det normala vägnätet i industrialiserade länder. Sandberg (1998) menar dock att man för att få värden som motsvarar olika ”normaltillstånd” men på samma vägtyp snarare bör använda ungefär halva de ovan angivna värdena som representativa e˙ekter. Variationen är stor mellan de olika studierna som tas upp i Sandberg (1998), inget resonemang förs dock om vilka orsaker som kan ligga bakom detta. En anledning kan möjligtvis vara att talen i sig är små och att en liten förändring därför kan visa sig stor när den anges i procent. I EU-projektet ECRPD1

1ECRPD - Energy Conservation in Road Pavement Design, Maintenance and Utilisation

VTI rapport 1038 18

(Hammarström et al., 2009) användes utrullning som metod för att undersöka rullmotstånd samt hur vägytan påverkar detta. För samma förändring av IRI och MPD som använts i Sandberg (1998) visade resultaten att förändringen av rullmotstånd hamnade i mitten av de intervall som sammanställts i Sandberg (1998), ca 19 procent för IRI respektive 46 procent för MPD för en personbil som kör 50 km/h. De visade också att e˙ekten på rullmotståndet ökade med ökad hastighet. En enhet högre IRI gav ett högre rullmotstånd med 2 procent vid 50 km/h och med 6 procent vid 90 km/h. Med en enhets ökning av MPD så är motsvarande si˙ror 17 procent vid 50 km/h och med 30 procent vid 90 km/h (Hammarström et al., 2009).

En annan studie utförd för att påvisa vägytans inverkan på rullmotstånd för personbil och tung lastbil presenteras av Karlsson et al. (2011). Metoden som användes i studien var utrullningsförsök med syfte att ta reda på hur mycket MPD respektive IRI bidrar till rullmotståndet för en personbil resp. tung lastbil. För personbilen kunde resultaten avseende inverkan av MPD jämföras med data som tagits fram med andra mätmetoder (trumma och trailer) av TUG (Gda«sk University of Technology). Resultaten för en personbil visar på en samstämmighet mellan de olika mätmetoderna (utrullning, trumma och trailer) och rullmotståndskoeÿcienten för MPD ligger på 0,0017 med en standardavvikelse2 på 0,0002 även om författarna diskuterar en rad osäkerheter i de olika mätningarna. Vad gäller e˙ekten av IRI så fastställdes att den generellt var mindre än den av MPD. Resultaten för den tunga lastbilen baserade sig enbart på utrullning, vilka visade sig vara osäkra och därmed svåra att dra några slutsatser utifrån. Sedan 2010 har ett samarbete mellan olika transportforskningsinstitut och trafkverk pågått angående rullmotstånd och hur påverkan på vägars underhåll skulle kunna minska bränsleförbrukning och utsläpp av koldioxid. Samarbetet kallas MIRIAM3 och består av tolv partners från Europa och en ifrån USA. Inom projektet har det genomförts ett fertal studier med avseende på vägyta och rullmotstånd, både vad gäller mätteknik, mätmetoder och hur resultatet ska kunna användas.

Bland annat genomfördes Round Robin-tester där olika mätvagnar jämfördes samt där olika uppsättningar av däck av samma typ testades i en och samma mätvagn (Bergiers et al., 2011). Tre mätvagnar för rullmotstånd ingick i testerna och de kom från BASt i Tyskland, BRRC i Belgien och TUG i Polen (Bergiers et al., 2011). Testerna utfördes på IFSTTARs testanläggning i Nantes, Frankrike. Anläggningen bestod av elva teststräckor med olika beläggningar. Syftet var att utvärdera repeterbarheten för respektive mätutrustning samt hur väl resultaten från respektive trailer korrelerar med varandra, vilken e˙ekt texturen på vägytan har på rullmotståndet samt att mäta vilken betydelse däck av olika typ och fabrikat har på rullmotståndet. Generellt visar resultaten god korrelation mellan Cr-värdet (rullmotståndskoeÿcienten) och de parametrar som ingick i studien, vilka var MPD, LMe

(megatextur) och LMa (makrotextur). MPD varierade mellan 0,08 till 2,77 mm på teststräckan och beroende på vilket typ av däck som testades ökade rullmotståndet 21-55 procent mellan den jämnaste och ojämnaste ytan, vilket i rapporten beskrivs kunna motsvara 7-18 procents förändring i

bränsleförbrukning. Ingen korrelation kunde dock hittas för IRI, vilket författarna poängterar inte är ett bevis på att IRI inte påverkar rullmotstånd. Snarare ser de en förklaring till att mättrailrarna är relativt okänsliga för ojämnheter. Korrelationer mellan de olika forskningsinstutionernas Cr-värden bestämdes

med linjär regression där regressionslinjernas lutningskoeÿcienter anges i Tabell 1.

Tabell 1. Koeÿcienter för Cr vid olika texturer med och utan ”enveloping”4.

Utan "enveloping" Med "enveloping" MPD Makrotextur Megatextur 0,00174 0,00013 0,00019 0,00223 0,00017 0,00022

Baserat på resultaten i MIRIAM-projektet samt resultat i tidigare studier togs rullmotståndsfunktioner fram för olika fordonskategorier (Hammarström et al., 2012). Med dessa går det att beskriva

2Standardavvikelsen har erhållits från mätningarna i trumma.

förändringen av rullmotståndet med en förändring av vägytans egenskaper beskrivet med IRI och MPD. I Tabell 2 visas ett exempel på när IRI respektive MPD ökar med en enhet jämfört med ett IRI = 1 och MPD = 1 vid en hastighet av 90 km/h. Ju tyngre fordon desto högre blir förändringen av

rullmotståndet.

Tabell 2. Ökning av rullmotstånd vid 90 km/h när IRI respektive MPD ökar med en enhet jämfört med IRI=1 och MPD=1.

Fordonstyp IRI MPD Personbil 4,6% 15,1% Lastbil 7,1% 18,4% Lastbil med släp 7,9% 20,3%

Utifrån de resultat som hittills framkommit i samarbetet föreslås att MPD och IRI används som variabler i en modell för att uppskatta rullmotstånd. Man ser även att styvhet möjligen ska ingå som en variabel men dess betydelse i sammanhanget anses fortfarande vara osäker (Bergiers et al., 2011). I fera studier har man tittat på hur rullmotståndet påverkas av beläggningens styvhet och defektion men slutsatserna skiljer sig tydligt åt. DeRaad (1978) visade att betongbeläggningar hör till de

vägbyggnadsmaterial som har högst styvhet och som deformeras minst. Objekt med en

asfaltsbeläggning på en bas av betong har en lägre styvhet och defektionerna blir större än de på den rena betongytan. Ännu större defektioner fås på vägar med asfaltsbeläggning ovanpå en bas av kompakterat grus och sand och störst defektioner fås på grusvägar, något som kan leda till dubbelt så högt rullmotstånd som vägbeläggningar med hårdare yta enligt DeRaad (1978).

I Willis et al. (2015) har författarna gått igenom 35 referenser som handlar om beläggningarnas egenskaper och deras e˙ekter på rullmotstånd. En slutsats de gör är att det fnns ett tydligt samband mellan rullmotstånd och beläggningars textur och jämnhet. Samma tydlighet fnns dock inte vad gäller styvheten där de har sett att det fnns en inkonsekvens vad gäller sambandet mellan rullmotstånd och styvhet i de studier som ingick i genomgången. Enligt författarna behövs det därför mer arbete inom detta område. I Sandberg et al. (2011b) beskrivs att styvheten bör tas med som en faktor när man tittar på rullmotstånd för olika beläggningar men att det är oklart under vilka omständigheter som denna e˙ekt ska inkluderas, exempelvis vid vilken temperatur, typ av beläggning och typ av fordon.

Det visas också av Chupin et al. (2010) som har gjort en teoretisk ansats för att beräkna hur asfaltens viskoelastiska beteende, som beror på temperatur, inverkar på rullmotståndet. Inga andra aspekter inkluderades i detta fall. Författarna studerade specifkt rullmotståndets förändring till följd av en temperaturförändring. Idén här är att studera den dämpning som sker till följd av asfaltens defektion. Det visades att rullmotståndet kopplat till beläggningens styvhet ökades exponentiellt med en höjd temperatur. Denna rullmotståndsökning var dock mycket liten i förhållande till fordonets totala rullmotstånd. Som exempel beskrivs att för en 40 tons lastbil som färdas över en asfaltväg där asfalten håller 40◦_{C, blir det totala rullmotståndet 4000 N där mindre än 4 procent kan härledas till}

beläggningens strukturella egenskaper. Enligt författarna har liknande beräkningar även genomförts för andra typer av asfaltsbeläggningar med samma resultat. Gadja och VanGeem (2001) menar å andra sidan att defektion, som i sig beror på styvhet, är en väsentligt bidragande orsak till en sämre bränsleekonomi på asfalt jämfört med betong.

I Sandberg et al. (2011b) görs en omfattande sammanställning över ett antal studier på området där den samlade slutsatsen i frågan är att beläggningens styvhet i någon grad har betydelse för rullmotståndet. Denna slutsats bygger på mätningar redovisade av Lenngren (2009) som illustrerar den hysterese˙ekt5, en förskjutning mellan på- och avlastningskurvorna när defektion plottas mot last, som uppstår när en beläggning utsätts för en fyktig belastning. Förskjutningen mellan kurvorna motsvarar en energiförlust som yttrar sig i form av ett rullmotstånd. I de ingående studierna i Sandberg et al. (2011b) skiljer sig dock slutsatserna som dras. Benbow et al. (2013) beskriver ett positivt samband men det är inte statistiskt signifkant. Schmidt et al. (2009) menar å sin sida att deformationen av beläggningar har ett ytterst begränsat bidrag till rullmotstånd. I en nyzeeländsk studie beskrivs styvheten vara den viktigaste

5Hysteres innebär att ett material avger energi som värme under deformation.

VTI rapport 1038 20

parametern för rullmotståndet tillsammans med vägens ojämnhet (Sandberg et al., 2011a)6. Lenngren (2014) har studerat viskoelasticitet och satt det i samband med en påverkan på rullmotstånd där det enligt författaren fnns en skillnad i hur rullmotstånd ändras beroende på defektion mellan betong- och asfaltsbeläggningar. Det visas att energiförlusterna är mycket större för asfaltsbeläggningar jämfört med betongbeläggningar men att denna skillnad avtar med minskad temperatur då asfaltens deformation påverkas mer än betongens. Lenngren (2014) påpekar dock att energiförlusten ifrån

betongbeläggningen kan skifta kraftigt med temperaturförändringar som en följd av att plattan kröks uppåt eller nedåt. Även var på plattan mätningen utförs har betydelse då större energiförluster kan iaktas närmare betongplattans kanter och skarvar jämfört med i plattans mitt. Sandberg et al. (2011b) anser i sammanhanget att det fortfarande inte är fastställt i vilken utsträckning som styvhet har betydelse för rullmotståndet och under vilka förutsättningar, såsom temperatur, typ av beläggning och vikt på fordon.

3.1.3. Däck

Däckets bidrag till rullmotstånd beror på dess deformation vid rullande kontakt med vägytan samt vid hysteres i däckets gummi och i dess struktur (Sandberg et al., 2011b). Lufttrycket i däcket samt hur däcken är riktade har också betydelse för rullmotståndet (National Research Council, 2006). I Sandberg et al. (2011b) visas en illustrativ fgur på olika e˙ekter som däcket utsätts för under rullning som påverkar rullmotståndet. Dessa kan sammanfattas med att trycket mot vägytan ger en deformation av däckets slitytor vid dess främre och bakre kanter samt på sidorna. Vid en fexibel beläggning reduceras däckets deformation något men beläggningens deformation ökar. Ett högre ringtryck leder till att gummimaterialet i däckets slityta komprimeras och när trycket minskar expanderar materialet. Ett tryck som också leder till energiförluster uppstår mellan däckets slityta och beläggningen när däckgummit komprimeras och expanderar då gummit tränger in i och ut ur slitlagrets struktur. Obalanserade däck leder även till att däcken "studsar" vid framförandet, vilket leder till mer eller mindre tillplattning på kontaktytan. En del av denna energi kommer att gå in i stötdämparen som en energiförlust.

Rullmotståndskoeÿcienten påverkas mycket av däckens egenskaper och vanliga värden ligger mellan 0,008 till 0,014 (Schmidt, 2010). En av dessa egenskaper är däckets strukturella uppbyggnad, det har till exempel visats att diagonaldäck kan ha väsentligt högre rullmotstånd än radialdäck, runt 30 procent (Biggs, 1987; Wong, 1993). Utöver däckets uppbyggnad påverkar däckets dimensioner rullmotstånd, där bredare däck leder till högre rullmotstånd än smala men även där hjul med en mindre fälgdiameter leder till högre rullmotstånd jämfört med större diametrar (National Research Council, 2006). Även däckens ytterdiameter får betydelse för rullmotståndskoeÿcientens storlek och då särskilt vid mjukare obundna underlag (Wong, 1993), se Figur 3. Enligt fguren minskar rullmotståndskoeÿcienten med en ökad ytterdiameter på däcken. Det beror enligt Wong (1993) på att de större däcken har egenskaper som innebär att det är mer förlåtande för deformationen av materialet samt för återgången till dess ursprungliga form. Detta ger att om man enbart jämför rullmotståndkoeÿcienten mellan olika däck så kan det ge ett missvisande resultat på hur stort själva rullmotståndet är (National Research Council, 2006).

Figur 3. Betydelsen av däckens ytterdiameter på rullmotståndskoeÿcienten vid olika underlag. Figur från Wong (1993)

I Round Robin-tester utförda i MIRIAM-samarbetet undersöktes olika uppsättningar av samma däcktyp i TUG:s mättrailer. Resultaten visade att rullmotståndets variation kunde vara allt ifrån relativt litet till att vara väsentligt. Den största skillnaden i rullmotstånd mellan däck av samma fabrikat och modell var ca 40 procent där den stora skillnaden kunde förklaras med att däcken var tillverkade i olika omgångar och där det ena däcket fått ett hårdare gummi. I ROSANNE-samarbetet7, där man bland annat mäter och undersöker rullmotstånd, dras slutsatsen att texturen på den vägytereplika som används i en mättrumma är en viktig variabel för rullmotståndet. En ojämn yta gav nästan dubbelt så höga

rullmotståndskoeÿcienter jämfört med en ståltrumma (Ejsmont, 2015). En högre last, allt annat lika, leder dessutom alltid till högre rullmotstånd. Vidare såg man att hastighetse˙ekten har försumbar inverkan på rullmotståndet för hastigheter mellan 30 och 100 km/h. Ett högre lufttryck i däcket leder till lägre rullmotståndskoeÿcienter. Även högre däcktemperaturer ledde till lägre

rullmotståndskoeÿcienter men storleken på denna förändring berodde mycket på däcktyp.

3.1.4. Rullmotstånd och bränsleförbrukning

Beroende på vilket körförhållande som gäller, utgör rullmotstånd mellan 5 och 30 procent av

bränsleförbrukningen för en typisk personbil och mellan 15 och 40 procent för tunga fordon (Barrand och Bokar, 2008). Då rullmotståndet utgör en betydande andel av det totala färdmotståndet fnns det också potential för energibesparingar med att göra åtgärder på beläggningar för att få ett minskat rullmotstånd (Schmidt, 2010). En rad olika författare har gjort beräkningar för att uppskatta hur ett förändrat rullmotstånd skulle påverka bränsleförbrukningen. Fontaras och Samaras (2010) bedömer att ett rullmotstånd som minskar 10 till 20 procent skulle kunna leda till minskad bränsleförbrukning med upp till 2,5 procent för personbilar och 3,6 procent för tunga fordon inom EU. Ejsmont et al. (2015) beskriver att genomförda beräkningar visar att en minskning av rullmotståndet med 15-20 procent för låga samt medelsnabba hastigheter leder till en minskning av bränsleförbrukningen med 5-8 procent. Från samma forskningsgrupp rapporteras också resultat från fält- och laboratorietester som visar att rullmotståndet till följd av olika beläggningstextur kan skilja ända upp till 100 procent (Ejsmont et al., 2017) och att detta kan påverka bränsleförbrukningen med 20-30 procent (Ejsmont et al., 2014). Bergiers et al. (2011) testade rullmotstånd för ett antal däcktyper mot olika beläggningar.

Rullmotståndskoeÿcienterna för de ojämnaste ytorna var 21-55 procent större än för de jämnaste, där spridningen var beroende på testad däcktyp. Dessa ökningar beräknades motsvara en ökad

bränsleförbrukning på mellan 7 och 18 procent.

7ROSANNE (ROlling resistance, Skid resistance, ANd Noise Emission measurement standards for road surfaces) är ett euro-peiskt samarbetsprojekt som syftar till att jämföra och försöka standardisera mätmetoder rörande rullmotstånd, friktion och buller.

VTI rapport 1038 22

I verktyget HDM-48 används IRI och MPD som ingående parametrar för att inkludera vägytans egenskaper som påverkar bränsleförbrukningen (Wang et al., 2012a). Zaabar och Chatti (2010) visar i en studie utförd i syfte att uppdatera och kalibrera bränsleförbrukningsfunktionen till rådande

förhållanden i USA, att en förändring av IRI ifrån 1 till 5 mm/m, ökar bränsleförbrukningen med 4 procent för tunga fordon. Wang et al. (2012a) konstaterar att detta motsvarar tidigare erhållna resultat som säger att en ökning med rullmotstånd på 10 procent, ökar bränsleekonomin med ca 1 till 2 procent. Man konstaterar i samma studie att makrotexturens e˙ekt på rullmotståndet är liten förutom för andra fordon än tunga lastbilar som kör långsamt. Liknande resultat erhålls i en dansk studie där man undersökt absoluta förändringar i bränslebehovet med ett förändrat rullmotstånd (Bendtsen, 2004). I Figur 4 visas resultat från denna studie som gäller en personbil med en däcktemperatur på 30 °C som färdas i 10 km/h. Det är ett till synes linjärt samband mellan bränsleförbrukning och

rullmotståndskoeÿcienten och utifrån dessa resultat ger en överslagsräkning att bränsleförbrukningen ökar med ca 14 procent vid en fördubbling av rullmotståndskoeÿcienten från 0,01 till 0,02.

Figur 4. Bränsleförbrukning för en personbil med en däcktemperatur på 30 °C vid olika värden på rull-motståndskoeÿcienter. Figur från Bendtsen (2004).

Genom att använda bränsleförbrukningsfunktionen framtagen i MIRIAM-samarbetet undersökte Hammarström et al. (2012) hur bränsleförbrukningen hos ett helt vägnät påverkades av egenskaper hos vägbeläggningen. Man beräknade e˙ekten på bränsleförbrukningen för olika värden på IRI respektive MPD för tre olika fordonskategorier. Tabell 3 redogör för förändringen i bränsleeförbrukning vid en enhets höjning av IRI respektive MPD. I exemplet färdas fordonen i 90 km/h på väg med högsta klassens linjeföringsstandard. Tabellen visar att MPD har större e˙ekt än IRI och tyngre fordon påverkas mer än lättare fordon.

Tabell 3. Förändring i bränsleförbrukning vid en enhets ökning av IRI respektive MPD vid 90 km/h (Hammarström et al., 2012).

Fordonskategori IRI MPD Personbil 0,8% 2,8% Lastbil 1,3% 3,4% Lastbil med släp 1,7% 5,3%

I samma studie undersöktes också potentialen till bränslebesparingar på hela det svenska statliga vägnätet genom att minska MPD respektive IRI. Att reducera MPD med upp till 0,5 mm innebar att trafkens totala bränsleförbrukning skulle minska med 1,1 procent. Det motsvarar ca 114 000 m3 av de

fytande bränslena9 beräknat utifrån vägtrafkens totala förbrukning år 2015 (Energimyndigheten, 2016). Sett till vad det skulle ge i minskade utsläpp av växthusgaser motsvarar det minskade rullmotståndet för inrikes vägtrafk ca 176 000 ton CO₂-ekvivalenter (Naturvårdsverket, 2017). Att minska IRI med 0,5 mm/m skulle enligt dessa beräkningar däremot inte ge en lägre bränsleförbrukning eftersom en jämnare väg tenderar att höja hastigheterna. Det ökade bränslebehovet som följer med en högre hastighet tar därmed ut vinsten i minskat rullmotstånd på grund av lägre IRI. En liknande studie har genomförts på det danska statliga vägnätet (Schmidt, 2010). Med antagandet om att en ökning av rullmotståndet med 10 procent leder till 3 procent högre bränslebehov10 så kunde beräknade man en besparing på ca 3,3 procent bränsle, eller 34 miljoner liter, givet en referensprofl på vägytan med goda IRI- och MPD-värden på 0,9 mm/m respektive 0,6 mm. Simuleringar gjorda av Ehsani et al. (2016) visar på lägre potential till bränslebesparing av ett minskat rullmotstånd. Med deras föreslagna modell för att beräkna emissioner och bränsleförbrukning för vägtransporter beräknades att en reduktion av rullmotståndet med 10 procent endast skulle ge upphov till 0,33 procent minskad bränsleförbrukning. För att studera hur en variation av olika variabler påverkar bränsleförbrukningen för ett helt lands vägnätverk genomfördes en studie i det europeiska samarbetsprojektet MIRAVEC11. I den studien beräknades hur en procentuell förändring av spårdjup (RUT), IRI, MPD, kurvatur (ADC) och

backighet (RF) skulle påverka förändringen av bränsleförbrukningen på det statliga vägnätet i Sverige (Carlson et al., 2013). I Figur 5 visas ett exempel på resultat från sådana beräkningarna för personbilar. Av de egenskaper som har med vägytan att göra så är det MPD som ger den största relativa

förändringen i bränsleförbrukning. För IRI och spårighet fnns det en aspekt avseende hastighet som innebär att när dessa egenskaper ökar i värde så ökar rullmotstånd men samtidigt minskar hastigheten. E˙ekten av ett ökat rullmotstånd uppvägs och tas över av en hastighetse˙ekt som totalt sett ger en lägre bränsleförbrukning. Denna e˙ekt gäller för personbilar och lastbilar utan släp, medan ett högre IRI leder till högre bränsleförbrukning för lastbilar med släp och ett större spårdjup knappt påverkar bränsleförbrukningen alls (Carlson et al., 2013). En realtiv ökning av MPD med 50 procent ger enligt beräkningen en relativ ökad bränsleförbrukning med 1,2 procent, 1,5 procent och 2,1 procent för personbilar, lastbilar utan släp respektive lastbil med släp. För IRI är förändringen -0,15 procent, -0,05 procent respektive +0,35 procent.

Figur 5. Exempel på relativa förändringar av bränsleförbrukningen med avseende på förändring av oli-ka vägegensoli-kaper. Figuren illustrerar bränsleförbrukningsändringen för personbilar. Figur från Carl-son et al. (2013).

Det fnns några studier som har jämfört hur bränsleförbrukning skiljer sig åt mellan asfalts- och

9Bensin, diesel, etanol, FAME och HVO.

10Författarna hänvisar sambandet till prof. Jerzy A. Ejsmont vid TUG - Technincal University of Gdansk

11MIRAVEC - Modelling Infrastructure Infuence on RoAd Vehicle Energy Consumption. MIRAVEC stöds av ERA-NET som är ett instrument för att låta forskningsfnansiärer från olika länder samverka. ERA-NET är en del av ERA, ett system av europeiska forskningsprogram som berör många olika forskningsområden.

VTI rapport 1038 24

betongvägar. Gadja och VanGeem (2001) har sammanställt resultat från en del av dessa. Författarnas slutsatser av de data som samlats in är bl.a. att bränsleförbrukningen för personbilar inte är beroende av vilken typ av vägbeläggning det är. Däremot påverkas bränsleförbrukningen hos tunga fordon. En av studierna som refereras till (Zaniewski, 1989) visar att bränslebesparingen blir 11-25 procent då ett tungt fordon kör på betong jämfört med asfalt. Vad gäller beläggningsstyvhetens inverkan på

bränsleförbrukningen visar Cenek et al. (1996) en skillnad på 13 procent för tunga fordon mellan den minst och mest styva beläggningen i studien. I linje med dessa resultat ligger utfallet ifrån en studie utförd av Sumitsawan et al. (2009) där det konstateras fem procents lägre bränsleförbrukning då testfordonet kördes på en betongbeläggning jämfört med när det kördes på en parallellväg med

asfaltsbeläggning. Man presenterar mätningar med konstant hastighet med lägre bränsleförbrukning på betong jämfört med asfalt, med 90 procents signifkansnivå, samt accelererande hastigheter där

skillnaden i bränsleförbrukning var mycket liten och inte statistiskt signifkant. I den här studien har man tagit hänsyn till ojämnhet (IRI) och tillsett att de två jämförda sträckorna är tillräckligt lika, inget nämns dock angående sträckornas textur (MPD).

Även hastigheten har beskrivits få olika betydelse för bränsleförbrukningen beroende på vilken beläggning som studeras. Phelps och Mingle (1977) demonstrerade att en hastighetsökning från 19 till 25 km/h ger upphov till en förhöjd bränsleförbrukning med 5 procent på betongbeläggning och 7 procent på asfalt. Taylor och Patten (2006) redogör i en annan artikel för bränsleförbrukningen för olika fordonstyper på olika typer av beläggningar. Bränsleförbrukningen mättes på personbilar och lastbilar som kördes på betong- och asfaltsbeläggningar samt på en asfaltsbeläggning ovanpå en

betongkonstruktion. Testerna genomfördes vid olika tidpunkter på året, för olika axeltryck och för hastigheterna 60 km/h respektive 100 km/h. Resultaten för lastbil visar i de festa fall att man hade en lägre bränsleförbrukning på vägar med betongbeläggning jämfört med de andra två

beläggningstyperna, skillnaden var mellan 0,4 och 4,1 procent. För personbil var det mer varierade resultat där beläggningstypen som gav lägst förbrukning varierade med årstid. När teststräckorna i studien valdes ut beaktades backighet samt IRI för att tillse att man fck jämförbara sträckor, beläggningarnas textur (MPD) beaktades dock ej.

Evans et al. (2009) redogör för en laboratoriestudie där man testat olika däcks rullmotstånd mot beläggningar och hur dessa rullmotstånd påverkar bränsleförbrukningen. Testerna visade att en minskning av rullmotståndet med 10 procent resulterade i 0,8-1,3 procent lägre bränsleförbrukning beroende på vilket däck som studerades. Man undersökte också e˙ekten av ett lägre ringtryck i de testade däcken. En minskning av lufttrycket med 25 procent resulterade i en liten, 0,02-0,5 procent beroende på däcktyp, men statistiskt säkerställd skillnad i bränsleförbrukning. Schmidt (2010) uppger att en tumregel för däckens bidrag till koldioxidutsläpp, vilket kan anses vara proportionellt med bränsleförbrukning för fordon som kör på fossila bränslen, är 20 procent för personbilar och 30 procent för tunga lastbilar. Genom att optimera däck i form av storlek, struktur och material kan man utveckla däck med lägre rullmotstånd. Med dessa optimala däck anses man kunna göra bränslebesparingar på 3-4 procent. Korrekt underhållna däck med rätt ringtryck anses dessutom kunna ge upphov till bränslebesparingar på 1,0-2,5 procent (Schmidt, 2010)12.

3.2.

Beläggningar

Beläggningens egenskaper spelar stor roll för det totala rullmotståndet. Med hänsyn till vägytans inverkan på rullmotståndet i form av textur och ojämnhet samt defektion/styvhet är det också relevant att titta på beläggningen och vilken beläggningstyp som ger jämnare textur och mindre defektion. En vanlig vägkonstruktion består av ett antal obundna lager under ett eller fera bundna lager. Vid en nybyggnation tas först en lämplig terrassyta fram vilket kan innebära bortschaktning av befntliga massor eller sprängning av berg i vissa fall. Energianvändningen varierar stort beroende på platsens förutsättningar. På terrassen kan eventuellt ett skyddslager läggas om det krävs med avseende på tjäldimensionering. Ovanför skyddslagret läggs ett förstärkningslager och ett obundet bärlager. Massorna till dessa lager transporteras till platsen, ofta från närliggande områden, läggs ut och packas

Ovanpå de obundna lagren läggs ett bundet bärlager. Detta kan antingen vara cementblandat grus (CG) eller bitumenblandat grus (AG). På högtrafkerade vägar kan det tillkomma ett bitumenbundet

bindlager ovanpå bärlagret. Slutligen läggs ett slitlager som utgörs av asfalt eller betong. Asfalt räknas som en fexibel beläggning som kan anpassa sig efter mindre rörelser i vägkroppen men som också deformeras plastiskt av trafklasten. Betong räknas som en styv beläggning som inte deformeras av trafklasten men som inte heller klarar av sättningar och rörelser i vägkroppen utan att spricka vilket bland annat medför sämre bärighet, lastöverföringsförmåga och körkomfort. Betongbeläggningen kan också utgöras av prefabricerade betongplattor som kan röra sig i förhållande till varandra, särskilt i de fall med bristfälligt utförda underliggande lager, med sättningar och försämrad bärförmåga som följd. Betongbeläggningen har dock både högre tryckhållfasthet och högre styvhet än en asfaltbeläggning. I jämförelse med asfalt är betong relativt okänslig för temperaturväxlingar. Asfaltens styvhet kan vara 5-6 gånger högre under vintern jämfört med sommaren, medan betongens hållfasthet, styvhet och bräcklighet inte är säsongsberoende (Silfwerbrand, 2014). En schematisk skiss över en överbyggnad med bundna lager illustreras i Figur 6.

Figur 6. Principiell uppbyggnad av en vägöverbyggnad. Figur från Trafkverket (2011).

I Sverige, med de markförhållanden som råder här, krävs generellt tunnare asfaltslitlager jämfört med betongslitlager. Detta medför att en betongbeläggning kräver större materialmängder som innebär högre materialkostnader jämfört med asfaltsbeläggningen. Flexibiliteten hos en asfaltbeläggning gör att den är lättarbetad och lätt att reparera på fera olika sätt medan betongens styvhet medför större och mer komplicerade reparationer när väl skador uppstår. Givet att betongen inte utsätts för permanenta deformationer av trafklasten på samma sätt som asfalten har en betongbeläggning potential för att hålla en bra funktion under en längre tid än en asfaltbeläggning. Det som främst påverkar

betongbeläggningar i Sverige negativt är slitage från dubbdäck. Med beaktande av dessa faktorer kan sägas att betongbeläggning främst är ett konkurrenskraftigt alternativ i Sverige på högtrafkerade vägar med stor andel tung trafk. I dessa fall är nötningen orsakat av dubbdäck lågt men nedbrytningen av en asfaltskonstruktion hög.

3.2.1. Asfaltvägar

Den i särklass vanligaste beläggningen i Sverige idag är konstruerad av asfalt. Asfalten har fördelen att den är fexibel vilket ger den förmågan att uppta relativt stora rörelser. Detta är särskilt viktigt i Sverige där stora delar av landet genomgår långa och kalla vintrar med stora temperaturrörelser som följd. Nackdelen är dock att upprepade på- och avlastningar leder till att asfalten omformas med plastiska deformationer som följd.

Vid dimensionering av fexibla överbyggnader enligt Trafkverkets kravställning väljs normalt en av följande defnierade överbyggnadstyper: grusbitumenöverbyggnad (GBÖ), grusbitumenöverbyggnad med bindlager (GBÖb) eller bergbitumenöverbyggnad, se Figur 7- 9. De rådande kraven för de standardiserade fexibla överbyggnadstyperna kräver alla minst 50 cm obundna bärlager. Dessutom ställs krav på maximalt tillåten töjning i konstruktionen samt på maximalt tillåtet tjällyft.

VTI rapport 1038 26

Figur 7. Utformning av grusbitumenöverbyggnad (GBÖ). Figur från Trafkverket (2011).

Figur 8. Utformning av grusbitumenöverbyggnad med bindlager (GBÖb). Figur från Trafkverket (2011).

Figur 9. Utformning av bergbitumenöverbyggnad (BBÖ). Figur från Trafkverket (2011).

Vad gäller ytstruktur fnns bland Trafkverkets kravdokument att fnna ”Kontroll av nya beläggningars makrotextur med mätbil” (Trafkverket, 2011) som specifcerar gränsvärden på en ny beläggnings makrotextur. Dessa gränsvärden är satta för att tillse att tre mål uppfylls:

1. Att ytstrukturen inte är för tät. Detta yttrar sig genom ett lågt uppmätt MPD och innebär att man har för mycket bitumen i ytan. En tät yta kan innebära lägre friktion och kravet har med

trafksäkerhet att göra.

2. Att ytstruktur inte är för öppen. En alltför öppen struktur ser grov ut på ytan och kommer med ett högt MPD. En öppen yta kan medföra att man får stensläpp och målet är kopplat till vägens beständighet.

3. Att ytstrukturen inte varierar för mycket. Ett jämnt MPD tyder på en homogen yta och kan ses som en kvalitetskontroll av vägens beläggning.

De av Trafkverket specifcerade värdena fnns återgivna för ett antal olika asfaltsbeläggningar i Tabell 4. Variationskoeÿcienten i den högra kolumnen avser standardavvikelsen av 20 st.

enmeterssektioner dividerat med medelvärdet av MPD-värden över samma 20 m. I Tabell 5 redovisas erhållna MPD-värden från mätningar utförda senast sex månader efter beläggningsarbetet under åren 2010-2014. Den sista kolumnen redovisar antal uppmätta tjugometerssektioner.

Tabell 4. Gränsvärden för den nya beläggningens makrotextur (MPD) (Trafkverket, 2017).

Normalvärde Gränsvärde Gränsvärde Observ.- Gränsvärde Gränsvärde lågt ≤ 80 lågt ≥ 90 nivå höga högt homogen. km/h km/h värden Beläggningstyp MPD [mm] MPD [mm] MPD [mm] MPD [mm] MPD [mm] Var.koe˙. ≥ ≥ ≤ ≤ [%] ≤ ABT11 0,72 0,45 0,45 1,22 1,45 22 ABT16 0,78 0,45 0,45 1,31 1,56 23 ABS11, TSK11 0,98 0,45 0,49 1,66 1,97 30 ABS16, TSK16 1,19 0,55 0,60 2,00 2,38 36 MJOG11 0,79 0,45 0,45 1,33 1,58 24 MJOG16 0,86 0,45 0,45 1,45 1,72 26 VTI rapport 1038 28

Tabell 5. Uppmätta MPD-värden på olika beläggningar under åren 2010-2014.

Medel Std.av. Median 75% 95% Antal ABS11 ABS16 ABT11 ABT16 IMT22 MJOG16 TSK11 TSK16 Y8 Y11 Y16 0,96 1,12 0,79 0,80 1,15 0,77 1,06 1,24 1,30 1,88 1,79 0,29 0,36 0,35 0,33 0,27 0,20 0,42 0,38 0,55 0,54 0,93 0,98 1,12 0,73 0,77 1,13 0,76 1,08 1,22 1,24 1,96 1,53 1,12 1,33 0,99 0,98 1,27 0,89 1,36 1,51 1,67 2,22 2,69 1,14 1,72 1,14 1,39 1,59 1,12 1,71 1,86 2,15 2,62 3,22 23 954 239 338 56 662 150 761 25 937 62 690 3 434 118 502 169 479 300 126 118 502

I en studie utförd av Eriksson och Lundberg (2016) undersöktes variationen på MPD och IRI i vägens laterala riktning både på objektnivå och på hela vägsystem. Det kunde visas att skillnaden i MPD i och utanför personbilars högra hjulspår var liten. Ojämnheterna däremot visades vara större ju längre ut till höger om personbilarnas högra hjulspår IRI mättes. Ojämnheterna mättes i två olika spår, 0,25 m och 0,45 m, till höger om höger hjulspår vid dessa mätningar.

3.2.2. Betongvägar

Betongbeläggningar är främst lämpliga i vägar med hög trafkbelastning eller där det fnns en stor andel tung trafk. Den styva beläggningen har god förmåga att överbrygga små rörelser och sättningar i underbyggnaden. Större rörelser kan dock ge upphov till stora skador och betongbeläggningen blir därför känslig mot större sättningar och tjälrörelser. Energiförbrukningen för betongbeläggningen vid tillverkningen och läggningen är långt högre än den från asfaltsbeläggningen, betongen nöts dock mycket mindre och kräver därför färre och mindre underhållsåtgärder. En helhetsbild av

konstruktionens energi- och miljöpåverkan kan därför fås genom att utföra en livscykelanalys, se Kapitel 3.3.2. Betongbeläggningar är idag mycket ovanliga i Sverige, i hela landet fnns mindre än tio mil. I Trafkverkets kravdokument fnns dock angivet att betongbeläggningen skall utformas enligt en av Figurerna 10-12.

Figur 10. Utformning av betongöverbyggnad med cementbundet bärlager. Figur från Trafkverket (2011).

Figur 11. Utformning av betongöverbyggnad med bitumenbundet bärlager. Figur från Trafkverket (2011).

Figur 12. Utformning av cementbitumenöverbyggnad. Figur från Trafkverket (2011).

Då betongvägar är mycket ovanliga i Sverige har man inte i Trafkverkets regelverk tagit fram några riktlinjer för den färdiga betongbeläggningens struktur, likt den för asfalt i Tabell 4.

Moderna betongvägar är oarmerade konstruktioner, där betongplattan som läggs ovanpå bärlagret är ca 200-220 mm tjock. Denna platta läggs i två omgångar, ett undre skikt om ca 150 mm där ballast från orten används samt ett övre skikt om ca 50 mm där ballasten utgörs av en hårdare och mer

nötningsbeständig sten. Några timmar efter läggning av betongen sågas beläggningen längs mittfogen (vid fera körfält) och tvärs vägens riktning ca var femte meter i syfte att ge betongen möjlighet att röra sig för att undvika att spricka. Över de tvärgående fogarna har dymlingar lagts ut tvärs fogens riktning och gjutits in i betongen för att försäkra en korrekt kraftöverföring mellan plattorna.

Betongbeläggningen med dess sågade fogar och dymligar illsutreras i Figur 13.

Om ojämna sättningar förekommer kan det uppstå en förkastning, eller höjdskillnad, mellan två intilliggande betongplattor. Denna höjdskillnad kallas på engelska för "faulting" och bidrar till ett ökat IRI och rullmotstånd samt orsakar obehag vid körning.

VTI rapport 1038 30

Figur 13. Principskiss för utformning av en modern oarmerad betongväg. Figur från Hultqvist och Dolk (2014).

Efter läggningen av betongen tvättas vanligtvis ytan för att frilägga ballasten i ytan i syfte att skapa goda värden avseende friktion, buller och slitstyrka (Hultqvist och Dolk, 2014). Ett alternativ till friläggning av ballast är diamantslipning där spår fräses i den färdiga ytan för att ta fram önskade buller-, och friktionsegenskaper. I USA har man de senaste decennierna skapat vad man kallar för Next

Generation Concrete Surface (NGCS), en ytstruktur som erhålls genom diamantslipning i fera steg för

att sänka bullernivån samt skapa god friktion (Scofeld, 2017). En sådan ytstruktur visas i Figur 14.

Figur 14. En modern diamantslipning (NGCS) sänker bullernivån och har goda friktionsvärden. Foto: Henrik Bjurström.

3.2.3. Drift- och underhållsåtgärder

För att bedöma energie˙ektiviteten hos våra vägar och kunna jämföra asfalts- och betongbeläggningar är det viktigt att väga in de nödvändiga drift- och underhållsåtgärderna för respektive beläggningstyp. Driftåtgärder som utförs på betong- resp. asfaltvägar har jämförts av Hultqvist och Dolk (2014). Det konstateras att driftåtgärderna i stort är desamma oavsett beläggningstyp. Röjning, kantskärning, renhållning och snöröjning är exempel på driftåtgärder som krävs och dessa beskrivs vara jämförbara för asfalts- och betongbeläggningar.

Större skillnader är det då det gäller underhållsåtgärder. Moderna betongvägar byggs med fogad

oarmerad betongbeläggning. En längsgående fog sågas mellan höger och vänster körfält och tvärgående fogar sågas var femte meter för att tillåta temperaturrörelser. För att förhindra vatten att tränga in i konstruktionen är det mycket viktigt att fogarna tätas med foglist eller fogmassa. Erfarenhet visar att dessa fogar kräver byte med ett intervall av 10 till 15 år för att behålla sin funktion.

diamantslipning användas som underhållsåtgärd. Om beläggningen är för tunn för att slipas måste en pågjutning ske (Hultqvist och Dolk, 2014).

3.2.4. 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