Slitagepartiklar från vägbeläggning med gummiinblandad bitumen : jämförelser med referensbeläggning

VTI notat 10-2009 Utgivningsår 2009

www.vti.se/publikationer

Slitagepartiklar från vägbeläggning med

gummiinblandad bitumen

Jämförelser med referensbeläggning

Göran Blomqvist Per Jonsson Anders Gudmundsson

Förord

Detta notat initierades av Lars Preinfalk, Vägverket, som efterfrågade en undersökning av partikelbildningen vid dubbdäcksslitage från en beläggning med gummiinblandad bitumen och en utan. VTI åtog sig att utföra denna undersökning med hjälp av VTI:s provvägsmaskin, som använts för studier av partikelbildning i ett flertal projekt.

Projektet utfördes i samarbete med Ergonomi och aerosolteknologi vid institutionen för designvetenskaper, Lunds universitet. Projektledare har varit Mats Gustafsson. Ett stort tack riktas till Tomas Halldin, VTI, Lars Engelbrektsson, VTI och Håkan Wilhelmsson, VTI, utan vars tekniska kompetens projektet varit omöjligt att genomföra samt till Mats Wiklund, VTI, som bidragit med statistisk kompetens.

Linköping februari 2009

Mats Gustafsson

Kvalitetsgranskning

Intern peer review har genomförts 2008-06-25 av Kerstin Robertsson.

Mats Gustafsson har genomfört justeringar av slutligt rapportmanus 2009-02-06. Projektledarens närmaste chef, Maud Göthe-Lundgren, har därefter granskat och godkänt publikationen för publicering 2009-02-09.

Quality review

Internal peer review was performed on 25 June 2008 by Kerstin Robertsson. Mats Gustafsson has made alterations to the final manuscript of the report. The research director of the project manager, Maud Göthe-Lundgren, examined and approved the report for publication on 9 February 2009.

Innehållsförteckning

3.5 Partikelkaraktärisering med SEM/EDX och PIXE ... 12

3.6 Mätning av slitage, textur och dubbutstick ... 13

4 Resultat... 14

4.1 Partikelkoncentration ... 14

4.2 Storleksfördelningar ... 16

4.3 SEM/EDX... 20

4.4 PIXE ... 33

4.5 Slitage, textur och dubbutstick ... 35

5 Diskussion ... 37

6 Slutsatser... 39

Referenser... 40

Slitagespartiklar från vägbeläggning med gummiinblandad bitumen – jämförelser med referensbeläggning

av Mats Gustafsson, Göran Blomqvist, Per Jonsson och Anders Gudmundsson∗ VTI

581 95 Linköping

Sammanfattning

Dubbdäcksslitage av vägbeläggningar orsakar emissioner av inandningsbara partiklar (PM10) vars tillåtna halt i omgivningsluften är reglerad enligt en miljökvalitetsnorm. Ett

sätt att minska partikelemissionen är att anpassa beläggningarnas egenskaper. Före-liggande projekt har undersökt betydelsen för partikelbildningen av inblandning av gummi från bildäck i beläggningens bitumenfas. Undersökningen genomfördes i VTI:s provvägsmaskin där dels en gummiinblandad beläggning, dels en referensbeläggning undersöktes. De bildade partiklarnas halter och storleksfördelningar studerades liksom deras kemiska och morfologiska egenskaper.

Resultaten visar att gummiinblandningen i bitumenfasen sammantaget ger en lägre partikelbildning av såväl PM10, som ultrafina partiklar. Såväl analyserna med

SEM/EDX som med PIXE avslöjar inga skillnader i sammansättningen mellan slitage-partiklar från de två beläggningarna. Inte heller slitage eller textur skiljde sig signifikant åt beläggningarna emellan.

∗

Wear particles from road pavement with rubber mixed bitumen - comparison with reference pavement

by Mats Gustafsson, Göran Blomqvist, Per Jonsson and Anders Gudmundsson∗ VTI (Swedish National Road and Transport Research Institute)

SE-581 95 Linköping Sweden

Summary

Studded tyre wear of road pavements cause emissions of inhalable particles (PM10).

Allowed concentration of PM10 is regulated by an EU directive which is implemented in

an environmental quality standard in Sweden. One way of reducing pavement wear particles is to adjust the properties of the road pavement. In the present project the effect on particle emission from mixing milled tyre rubber into the pavement bitumen has been investigated. Tests were made using the VTI road simulator with one pavement containing rubber and one reference pavement. The concentrations and size

distributions of the emitted particles were measured and their chemical and morphological properties examined.

Altogether, the results show that mixing rubber into the pavement bitumen results in lower emissions of both PM10 and ultrafine particles, while there were no significant

differences between their chemical compositions.

1 Inledning

Syftet med uppdraget var att jämföra partikelbildande egenskaper hos en konventionell ABS-beläggning (innehållande kvartsit med största stenstorlek 16 mm) med en belägg-ning där innehållet av bitumen modifierats med inblandbelägg-ning av 2 % gummikompo-nenter. Beläggningarna var identiska med avseende på steninnehållet. I föreliggande rapport benämns de Dalby utan gummi och Dalby med gummi efter tillverkningsorten i Skåne. Jämförelse görs också med en svensk ABS16-beläggning med kvartsit från Dalsland (Dalbo) som tidigare provats på samma sätt.

Undersökningen gjordes i VTI:s provvägsmaskin i ett samarbete mellan VTI och avdel-ningen för ergonomi och aerosolteknik, institutionen för designvetenskaper, Lunds tekniska högskola.

2 Förkortningar

ABS asfaltbetong, stenrik

APS aerodynamic particle sizer (partikelstorleksfördelning) DT DustTrak (mäter PM10 eller PM2,5)

keV kiloelektronvolt – enhet för olika energinivåer för grundämnestoppar i EDX–spektra (se nedan)

PIXE partikelinducerad röntgenemission (för noggrann sammansättning av hela partikelprover)

PM10 masskoncentrationen av partiklar mindre än 10 µm (inandningsbara

partiklar)

PM2,5 masskoncentrationen av partiklar mindre än 2,5 µm

PVM provvägsmaskin

SEM/EDX svepelektronmikroskop med röntgendiffraktionsspektroskopi (för form och sammansättningsstudier hos partiklar)

SMPS scanning mobility particle sizer (partikelstorleksfördelning) TEOM Tapered Element Oscillating Microbalance (mäter PM10)

3 Metod

3.1 Provvägsmaskin

Projektet genomförs med hjälp av VTI:s provvägsmaskin (PVM) (Figur 1). För att studera slitagepartiklarna separat, utan inblandning av partiklar från avgaser och andra antropogena och naturliga källor, krävs att partiklarna kan genereras och provtas i en miljö där andra källor är minimerade. Detta kunde åstadkommas genom att mätinstru-menten placerades i den slutna hallen runt VTI:s provvägsmaskin, som vanligtvis använts för att studera slitage av olika typer av vägbeläggningar och däck.

Provvägsmaskinen består av en cirkelrund 0,5 m bred bana med en diameter av 16 m som kan beläggas med valfri vägbeläggning. Maskinen roterar kring en centralt placerad vertikal axel på vilken sex hjulaxlar är monterade. På dessa kan olika typer av däck monteras. Fyra av axlarna är i drift och drivs av elmotorer. Vid provning sänks hjulen ner mot banan till önskat axeltryck ställts in och hjulen driver sedan maskinen att rotera. Hastigheten kan varieras steglöst upp till 70 km/h. I hastigheter över 30 km/h kan en excenterrörelse kopplas in vilket gör att hjulen inte kör i samma spår utan rör sig över nästan hela banbredden.

Figur 1 Provvägsmaskinen.

3.2

Inkörning av beläggning

Inkörning av beläggningen innebär att det ytliga bitumenskiktet slits bort med hjälp av dubbdäckskörning under vattenbegjutning av banan enligt ett standardförfarande. Detta görs för att frilägga stenmaterialet så att beläggningsytan är mer lik en normalt sliten beläggning. Standardinkörning innebär 50 000 varv i 70 km/h. För båda beläggningarna bedömdes dock ytterligare inslitning behövas för att få fram stenmaterialet, varför ytter-ligare 33 000 varv kördes, det vill säga totalt 83 000 varv.

3.3 Försöksdesign,

partikelmätning

VTI:s provvägsmaskin (PMV) är installerad i ett slutet rum med kontrollerad ventila-tion. Vid användande kan beläggning, däcktyp och starttemperatur i rum och beläggning

väljas. Dubbdäcken som användes var av fabrikatet Nokian Hakkapeliitta 4. Båda testerna genomfördes enligt samma körschema (Tabell 1).

Tabell 1 Körschema för PVM. Sänka avser en filterförsedd fläkt som används för att sänka partikelhalterna i hallen för bättre kontroll på provtagning.

Hastighet Tid Sänka och filter-provtagning

30 1 tim 30 min Nej

50 1 tim 30 min Nej

70 2 tim Nej

70 1 tim Ja

3.4 Partikelmätning

De instrumenttyper som användes för att mäta förekomsten av inandningsbara partiklar beskrivs översiktligt nedan.

• Tapered Element Oscillating Microbalance (TEOM)

Instrumentet bygger på gravimetri och ger ett värde var femte minut för mass-koncentration av PM10 (masskoncentrationen av partiklar mindre än 10 µm).

Metoden är godkänd för luftkvalitetsövervakning • DustTrak (DT)

Två av dess optiska instrument användes vid undersökningen: det ena mätte PM2,5 (masskoncentrationen av partiklar mindre än 2,5 µm) och det andra PM10.

Tidsupplösningen för båda var tre sekunder. Metoden är inte godkänd för luft-kvalitetsövervakning men har högre tidsupplösning än TEOM

• Aerodynamic Particle Sizer (APS) och Scanning Mobility Particle Sizer (SMPS) Instrumenten mäter partiklar i storleksintervallen 7,64–300 nm (SMPS) och 0,523–17,14 µm (APS). Data i det lägre intervallet presenteras som antalsfördel-ning, medan det grövre intervallet presenteras som massfördelning. Detta beror på att nanopartiklarna har en mycket låg massa, men är i gengäld väldigt många och motsvarande har de grövre partiklarna en hög massa men är endast ett fåtal till antalet. Vid APS-mätningarna användes ett PM10-inlet som avskiljer partiklar

större än 10 µm.

Partiklar provtogs dessutom med 12-stegs kaskadimpaktor och PM10-provtagare för

analys av grundämnesinnehåll.

Utöver partiklar mättes luft-, däck- och beläggningstemperatur. Även relativ luftfuktig-het registrerades under mätningarna. Innan undersökningen startades kyldes hallen. Målet var att uppnå någon minusgrad vid testerna för att efterlikna realistiska vinterför-hållanden. Vid försöken med de två beläggningarna uppnåddes starttemperaturer på cirka -1°C (se Tabell 2).

3.5

Partikelkaraktärisering med SEM/EDX och PIXE

PM10 insamlat med filterprovtagare under mätning vid de båda beläggningarna

studera-des i svepelektronmikroskop (SEM) och grundämnesspektra hos enskilda partiklar upp-mättes med hjälp av EDX (emissionsdispersiv röntgenanalys) för ett antal partikeltyper.

Filterprover tagna med kaskadimpaktor analyserades med hjälp av PIXE (partikelindu-cerad röntgenemission) på institutionen för kärnfysik vid Lunds tekniska högskola. PIXE-analys ger en noggrann bild av den genomsnittliga grundämnessammansättningen hos ett prov.

3.6

Mätning av slitage, textur och dubbutstick

Slitaget mättes på fyra beläggningsplattor med laserprofilometer efter 50 000 varv under inkörningen, efter 83 000 varv vid inkörningens slut och efter 103 000 varv då partikel-mätningen genomförts. För Dalby utan gummi genomfördes ytterligare en mätning efter att en kontrollkörning genomförts på beläggningen.

Makrotextur mättes enligt metod prEN 13036-1 (sand patch) på fyra beläggningsplattor, vid samma tillfällen som slitagemätningarna.

Dubbutstick mättes på samtliga fyra däck före och efter partikelmätningen.

Mikrotextur får i försöken representeras av friktionsvärdet mätt med VTI Portable Friction Tester (PFT) längs fyra mätlinjer på provvägsmaskinsbanan med vardera tre repeterade mätningar. Medelfriktionen för en beläggning skattas med medelvärdet av linjernas medelfriktion.

4 Resultat

4.1 Partikelkoncentration

Under mätningarna med Dalby utan gummi respektive Dalby med gummi och dubbdäck utvecklades luft-, däck- och beläggningstemperatur samt relativ luftfuktighet enligt Tabell 2 och Tabell 3. Värdena är medel för perioder om 15 minuter i slutet av respek-tive hastighetsintervall. Samtliga temperaturer ökade under försöket. Relativ luftfuktig-het, som är beroende av främst lufttemperatur, varierade något under försöken.

Tabell 2 Temperaturer och luftfuktighet under mätningarna för Dalby utan gummi.

Parameter Vid start 30 km/h 50 km/h 70 km/h

Beläggningstemperatur (°C) -0,9 1,4 3,3 6,6

Lufttemperatur (°C) 1,7 2,3 4,3 7,7

Relativ luftfuktighet (%) 68,3 69,0 70,2 66,7

Däcktemperatur* (°C) - 8,3 11,6 15,9

*Däcktemperatur registrerades ej under denna mätning. Angivna värden bygger på samband mellan beläggnings- och däcktemperatur vid en senare mätning på samma beläggning.

Tabell 3 Temperaturer och luftfuktighet under mätningarna för Dalby med gummi.

Parameter Vid start 30 km/h 50 km/h 70 km/h

Beläggningstemperatur (°C) -0,8 0,5 2,2 5,0

Lufttemperatur (°C) 1,0 2,0 3,7 7,0

Relativ luftfuktighet (%) 69,6 75,3 75,3 71,2

Däcktemperatur (°C) 0,1 7,1 9,7 14,0

Figur 2 visar utvecklingen av halterna för PM10 uppmätt med både TEOM och

DustTrak-instrument. TEOM-instrumentet ger högre värden i jämförelse med DustTrak, vilket är ett resultat av de skilda mätteknikerna. Samma mönster mellan beläggningarna går dock att urskilja.

Figur 3 visar utvecklingen av halterna för PM10 och PM2,5 under försöken med Dalby

med gummi och Dalby utan gummi uppmätt med DustTrak-instrument.

Som båda figurerna visar beror haltvariationen av hastigheten. Vid 30 km/h stiger halten till ett lågt maximum, som troligtvis avspeglar lösgörandet av svagt bundna fragment och viss uppvirvling, varefter den sjunker tills hastigheten höjs till 50 km/h. Vid denna hastighet är nyproduktionen av partiklar hög och en balans uppstår mellan produktion och deposition. Detta resulterar i att en konstant halt uppnås. Då hastigheten höjs till 70 km/h uppstår en uppvirvlingstopp, varefter halten åter planar ut.

0:00 1:00 2:00 3:00 4:00 5:00 6:00 7:00 Tid från start (h) 0 4000 8000 12000 16000 K o ncen tr a ti o n PM 10 (µg m -3) 0 20 40 60 80 Hast ighet (km h -1 )

Dalby utan gummi (TEOM) Dalby med gummi (TEOM) Dalby utan gummi (DT1) Dalby med gummi (DT1) Hastighet

Figur 2 Tidsserier av PM10 uppmätt med både TEOM- och DustTrak-instrumenten för

Dalby utan gummi och Dalby med gummi.

0:00 1:00 2:00 3:00 4:00 5:00 6:00 7:00 Tid från start (h) 0 2000 4000 6000 8000 Koncent ration PM 2. 5 och P M10 (µ g m

-3) Dalby utan gummi PM10

Dalby utan gummi PM2.5 Dalby med gummi PM10 Dalby med gummi PM2.5 Hastighet 0 20 40 60 80 H a s tig het (km h -1 )

Figur 3 Masskoncentration av PM2.5 (DustTrak) och PM10 (DustTrak) vid 30, 50 och

70 km/h för Dalby med gummi respektive Dalby utan gummi.

Figur 4 visar medelkoncentrationerna av PM10 under tio minuter i slutet av

30 50 70 Hastighet (km/h) 0 2000 4000 6000 8000 Ko ncen tr at io n P M 10 (µ g m -3)

Dalby utan gummi Dalby med gummi

Figur 4 Medianvärden av PM10 (DustTrak) under en tiominutersperiod i slutet av hastighetsintervallen 30, 50 respektive 70 km/h.

Mönstret för partikelbildning för beläggningarna vid de tre hastigheterna är inte helt konsekvent; vid 30 km/h ger Dalby med gummi högst halter, medan Dalby utan gummi ger högre halter vid 50 km/h. Vid 70 km/h är det åter Dalby med gummi som ger högst halter i det aktuella utsnittet av tidsserien. I figur 3 visas att koncentrationskurvorna för de två beläggningarna korsar varandra då beläggningen utan gummi uppvisar en sjunk-ande trend med tiden och beläggningen med gummi uppvisar en öksjunk-ande trend. Betraktar man därför en längre tidsperiod än de tio minuter som ligger till grund för staplarna i figur 4, skiljer sig beläggningarna inte lika mycket åt i genomsnitt.

4.2 Storleksfördelningar

I Figur 5 presenteras översiktligt massfördelningen för de partiklar som utgör massan av PM10 tillsammans med antalsfördelningarna för de mindre partiklarna i intervallet

7,64–300 nm för de båda beläggningarna. Vid båda körningarna förekom en ultrafin partikelfraktion (< 100 nm) med ett maximum mindre än 10 nm tillsammans med en fraktion med ett maximum vid ungefär 20–30 nm. Dalby med gummi uppvisar lägre halter än Dalby utan gummi, förutom vid 30 km/h. Gällande de grövre partiklarna ger

Figur 5 Storleksfördelningar för Dalby med gummi (ovan) och Dalby utan gummi (nedan). För APS-data (0,523–17,14 µm) visas massfördelningen (dM/dlogDp) och för SMPS-data (7,64–300 nm) visas antalsfördelningen (dN/dlogDp). APS-data mellan kl. 11 och 13 för Dalby med gummi redovisas inte, då instrumentet under denna period inte fungerade korrekt.

I Figur 6 a–c visas utsnitt av APS-data (0,523–17,14 µm) för hastigheterna 30, 50 och 70 km/h. Utsnitten är medelvärden av storleksfördelningarna under tiominutersperioder i slutet på hastighetsintervallen 30, 50 och 70 km/h. Masskoncentrationen för Dalby

utan gummi tenderar att ha sin topp vid något större storlekar än vad som är fallet med Dalby med gummi, 5 respektive 4 µm. Placeringarna av dessa maxima tycks vara

obero-ende av hastighet. Generellt ger Dalby utan gummi också högre masskoncentrationer än

Dalby med gummi, vilket märks särskilt väl vid 50 km/h.

0.1 1 10 100 aerodynamisk diameter [µm] 0 2000 4000 6000 8000 dM/ d logDp [µg m -3]

Dalby utan gummi Dalby med gummi

70 km/h 0.1 1 10 100 aerodynamisk diameter [µm] 0 2000 4000 6000 8000 d M /d lo g D p [µ g m -3]

Dalby utan gummi Dalby med gummi

50 km/h 0.1 1 10 100 aerodynamisk diameter [µm] 0 2000 4000 6000 8000 dM/ dlogDp [ µ g m -3]

Dalby utan gummi Dalby med gummi

30 km/h

Figur 6 Massfördelningar för PM10 för beläggningarna i a) 70 km/h, b) 50 km/h och

c) 30 km/h.

Under försöken med beläggningarna från Dalby bildades ultrafina (<100 nm) partiklar, vilket även varit fallet då andra beläggningar provats med dubbdäck (se t.ex. Gustafsson m.fl., 2005).

a

b

10 100 1000 Aerodynamisk diameter [nm] 0 100000 200000 300000 dN /d logD p [# cm -3]

Dalby utan gummi Dalby med gummi

70 km/h 10 100 1000 Aerodynamisk diameter [nm] 0 100000 200000 300000 dN/d logDp [ # cm -3]

Dalby utan gummi Dalby med gummi

50 km/h 10 100 1000 Aerodynamisk diameter [nm] 0 10000 20000 30000 dN/d logDp [ # cm -3]

Dalby utan gummi Dalby med gummi

30 km/h

Figur 7 Antalsfördelningar för ultrafina partiklar för beläggningarna i a) 70 km/h, b) 50 km/h och c) 30 km/h.

I Figur 7 a–c visas utsnitt av dessa ultrafina partiklar (7,64–300 nm, SMPS-data) för hastigheterna 30, 50 och 70 km/h. Utsnitten är medelvärden av storleksfördelningarna under tiominutersperioder i slutet på hastighetsintervallen 30, 50 och 70 km/h. Notera att förekomsten av partiklar i de olika storlekarna anges som antal per cm3.

a

b

De två beläggningarna från Dalby skiljer sig åt även i det ultrafina storleksintervallet. Som i fallet med storleksfördelningen av de grövre partiklarna i Figur 6 är det Dalby

utan gummi som ger upphov till högst partikelhalter (antalskoncentration i detta fall).

Undantaget är vid 30 km/h då Dalby med gummi har ett antalsmaxima vid 30–40 nm som är markant över Dalby utan gummi. Det bör dock poängteras att antalskoncentra-tionerna vid 30 km/h är låga jämfört med vid högre hastigheter.

Vid alla hastigheterna uppvisar storleksfördelningen två antalsmaxima. Den grövre av topparna återfinns vid ca 20–30 nm, medan den finare bara delvis ligger inom mätom-rådet (< 10 nm).

4.3 SEM/EDX

Figur 8 och Figur 9 visar båda översiktsbilder av filterytor bemängda med inandnings-bara partiklar (PM10) från de båda beläggningarna. Morfologiskt skiljer sig PM10 från de

olika beläggningarna inte från varandra. Båda domineras av flisiga mineralpartiklar här-rörande från beläggningarnas stenmaterial. Däck- och bitumenpartiklar har inte kunnat identifieras visuellt.

Figur 8 PM10 från beläggningen Dalby med gummi i 4 000 gångers förstoring

(mått-stock i grönt). Den trådiga strukturen till vänster är filterytan som partiklarna deponerat på.

Figur 9 PM10 från beläggningen Dalby utan gummi i 4 000 gångers förstoring

(mått-stock i grönt).

Filterytorna har sökts igenom efter partiklar av olika typer, med särskilt fokus på att söka identifiera andra typer av partiklar än mineralpartiklar, som skulle kunna hänföras till beläggningarnas bitumenfas. Samtidigt har morfologiskt typiska och atypiska partik-lar i proverna undersökts med EDX.

I figur 10 redovisas EDX-spektra för analyserade enskilda partiklar på PM10 från Dalby

med och utan gummi. Guldtopparna (Au) härrör från guldbeläggning av partiklarna för

att göra dem ledande, vilket SEM-analysen kräver. Dessa skall alltså bortses ifrån. Fluortoppen (F) härrör från filterytan och är alltså inte heller kopplad till partiklarnas sammansättning. Båda spektra domineras av kisel (Si), syre (O), aluminium (Al) och har inslag av kalium (K), natrium (Na), kalcium (Ca) och magnesium (Mg). Samtliga dessa grundämnen är kopplade till mineraler och spektra tyder således inte på någon skillnad mellan sammansättningarna av PM10, såsom till exempel inslag av däckrelaterat

ämne som zink (Zn) eller svavel (S), som skulle kunna härledas till gummiinbland-ningen i bitumenfasen.

1 2 3 4 keV 0 500 1000 1500 2000 Cou n ts F Al C O Na Mg Si Au Au K K Ca 1 2 3 4 keV 0 500 1000 1500 2000 Counts F Al C O Na Mg Si Au Au K K Ca

Figur 10 Analyserade spektra från Dalby med gummi (röd) och Dalby utan gummi (blå).

I Figur 11–Figur 20 visas ett urval av de enskilda partiklarnas morfologi och grund-ämnessammansättning. Fibrerna i bilderna är filterytan. Många partiklar är antingen flisiga med skarpa kanter (ex. Figur 11, Figur 12 och Figur 18) eller består av ansam-lingar av korniga eller flakiga partiklar (ex. Figur 13, Figur 15 och Figur 17). Dessa partiklar domineras helt av grundämnen typiska för mineraler, såsom kisel (Si), aluminium (Al), syre (O) och kalium (K). I vissa fall till kommer även järn (Fe) (ex. Figur 12, Figur 14 och Figur 16). I Figur 15 kan spår av wolfram (W) ses i den lilla partikeln vid pilen. Wolfram är ett vanligt grundämne i däckdubbar, där wolframkarbid används till själva dubbstiftet. I SEM/EDX-studien är detta det enda synliga spåret på bidrag från någon annan källa än beläggningarnas stenmaterial.

Gummi, utsnitt 1 spot 1. 1 2 3 4 5 6 7 8 9 keV 0 500 1000 1500 2000 Cou nt s Al C O Si Au Au

Figur 11 Mikrografi och EDX-spektrum för PM10 – partikel från Dalby med gummi.

Gummi, utsnitt 4, spot 2b. 1 2 3 4 5 6 7 8 9 keV 0 500 1000 1500 2000 Cou nt s F Al C O FeNaMg Si Au Au K KCa Ca Fe Fe

Figur 12 Mikrografi och EDX-spektrum för PM10 – partikel från Dalby med gummi.

Gummi, utsnitt 5, spot 1. 1 2 3 4 5 6 7 8 9 keV 0 500 1000 1500 2000 Co u n ts F Al C O Si Au Au K K

Figur 13 Mikrografi och EDX-spektrum för PM10 – partikel från Dalby med gummi.

Gummi, utsnitt 5, spot 2. 1 2 3 4 5 6 7 8 9 keV 0 500 1000 1500 2000 Co u n ts F Al C O Fe Mg Si Au Au Fe Fe

Figur 14 Mikrografi och EDX-spektrum för PM10 – partikel från Dalby med gummi.

Gummi, utsnitt 3, spot 2. 1 2 3 4 5 6 7 8 9 keV 0 500 1000 1500 2000 Cou n ts F Al C O Si Au Au W

Referens, utsnitt 2, spot 1. 1 2 3 4 5 6 7 8 9 keV 0 500 1000 1500 2000 Cou n ts F Al C O Fe Mg Si Au Au K K Fe Fe

Figur 16 Mikrografi och EDX-spektrum för PM10 – partikel från Dalby utan gummi.

Referens, utsnitt 2, spot 2. 1 2 3 4 5 6 7 8 9 keV 0 500 1000 1500 2000 Cou nts F Al C O Fe Si Au Au K K Fe Fe

Figur 17 Mikrografi och EDX-spektrum för PM10 – partikel från Dalby utan gummi.

Referens, utsnitt2, spot 3 och 5. 1 2 3 4 5 6 7 8 9 keV 0 500 1000 1500 2000 Cou n ts F Al C O Na Si Au Au Ca Ca 1 2 3 4 5 6 7 8 9 keV 0 500 1000 1500 2000 Cou n ts F Al C O Na Si Au Au

Figur 18 Mikrografi och EDX-spektrum för PM10 – partiklar från Dalby utan gummi.

+

+

3

5

3

5

Referens, utsnitt 3, spot 2. 1 2 3 4 5 6 7 8 9 keV 0 500 1000 1500 2000 Cou nts F Al C O FeNa Si Au Au K KCa Ca Fe Fe

Figur 19 Mikrografi och EDX-spektrum för PM10 – partikel från Dalby utan gummi.

Referens, utsnitt 3, spot 5. 1 2 3 4 5 6 7 8 9 keV 0 500 1000 1500 2000 Cou nts F Al C O FeNa Si Au Au K KCa Ca Fe Fe

Figur 20 Mikrografi och EDX-spektrum för PM10 – partikel från Dalby utan gummi.

4.4 PIXE

PIXE-analyserna av Dalby utan gummi visade att de fem minsta partikelstorleksinter-vallen (0,042; 0,80; 0,14; 0,21 och 0,32 µm) blivit kontaminerade med kisel. Troligtvis på grund av det fett som används i impaktorn för tätning eller av det fett som används för att belägga filterytan, som partiklarna samlas in på i kaskadimpaktorn.

Det har ändå varit möjligt att göra en god uppskattning av mängden kisel för dessa fem partikelstorleksintervall. Kvoterna mellan kisel och andra grundämnen (K, Ca och Fe), som också har sitt huvudsakliga ursprung från beläggningen, beräknades för det andra provet, Dalby med gummi, för respektive partikelstorleksintervall. Utifrån mängden uppmätt K, Ca och Fe i Dalby utan gummi och beräknade kvoter uppskattades den mängd kisel det rimligen borde vara för de fem partikelstorleksintervallen för Dalby

med gummi.

I Figur 21 visas resultaten av grundämnesanalyserna med PIXE. Resultaten visas ovan-ifrån och ned som:

• Masskoncentration (ng/m3

) för olika grundämnen och för de olika 12 partikel-storleksintervallen som de samlats in med kaskadimpaktor och analyserat med PIXE. Observera den logaritmiska y-skalan för masskoncentrationen

• Relativ massfördelning, inklusive kisel (Si)

• Relativ massfördelning utan Si. Eftersom Si från stenarna i beläggningen ofta dominerar i luftkoncentrationen har den exkluderats för att fördelningen av övriga ämnen ska framgå tydligare

• Kvoten mellan varje grundämne och Si. Observera den logaritmiska y-skalan för kvoterna. Denna figur tydliggör vilka andra grundämnen som samvarierar med kisel, dvs. erhålls en konstant kvot är samvariationen stor och man kan förmoda att de har samma ursprung. Eftersom kisel huvudsakligen kommer från stenarna i beläggningen visar en konstant kvot att detta grundämne också kommer från stenarna i beläggningen. I alla däck finns mer eller mindre, kisel, vilket måste tas med i analysen av diagrammen.

Fördelningen av grundämnen i PM10 för de båda beläggningarna är påtagligt lika. I de

grövre fraktionerna (till höger i diagrammen) dominerar mineralrelaterade grundämnen som Si, järn (Fe), kalium (K) och kalcium (Ca), som en tydlig respons på dubbdäckens slitage av beläggningsstenen. Till skillnad från i SEM/EDX-analysen, kan i PIXE-ana-lysen ses tydligare indikationer på partikelbidrag från annat än stenmaterial. Svavel (S), som är ett grundämne som kan relateras till såväl däck som bitumen, utgör en tilltag-ande tilltag-andel av partiklar under 1 µm, då mineralpartiklarna avtar kraftigt i koncentration och svavlet tilltar. S finns även i de grövre fraktionerna och korrelerar där väl med mineralpartiklarna, men under ca 100 nm är S det dominerande grundämnet i proverna. Zink (Zn), som brukar betraktas som en markör för däck, följer också fördelningen av stenmaterialets grundämnen och har högst halter i de grövre fraktionerna. Intressant är att wolfram eller tungsten (W) som det också kallas, finns i låga koncentrationer i de grövre fraktionerna i båda proverna. W är en markör för slitage av själva dubbarna, vars stift vanligtvis är gjort av wolframkarbid.

De mycket lika fördelningarna av grundämnen i partikelfraktionerna visar att gummiin-blandningen i bitumenfasen inte har någon detekterbar inverkan på partiklarnas sam-mansättning.

1 10 100 1000 10000 100000 1000000 10000000 0,01 0,1 1 10 Areodynamisk diameter (µm) dM /d logdp ( ng/ m 3) Si S Cl K Ca Ti Fe Cu Zn W Co 0% 20% 40% 60% 80% 100% 0, 0 4 0, 0 8 0, 1 4 0, 2 1 0, 3 2 0, 5 1 0, 8 1 1, 2 6 2, 0 0 3, 3 2 5, 4 7 8, 2 5 Areodynamisk diameter (µm) Re la ti v ko n ce n tr a ti o n (% ) Co W Zn Cu Fe Ti Ca K Cl S Si b 0% 20% 40% 60% 80% 100% 0, 04 0, 08 0, 14 0, 21 0, 32 0, 51 0, 81 1, 26 2, 00 3, 32 5, 47 8, 25 Aerodynamsk diameter (µm) R e la ti v ko n cen tr a ti o n ( % ) Co W Zn Cu Fe Ti Ca K Cl S 0,00001 0,0001 0,001 0,01 0,1 1 10 0,01 0,1 1 10 Aerodynamisk diameter (µm) Kvo t X /S i S Cl K Ca Ti Fe Cu Zn W Co V Mn 1 10 100 1000 10000 100000 1000000 0,01 0,1 1 10 Areodynamisk diameter (µm) dM /d logdp ( ng/ m 3) Si S Cl K Ca Ti Fe Cu Zn W Co 0,0001 0,001 0,01 0,1 1 10 0,01 0,1 1 10 Aerodynamisk diameter (µm) Kvo t X /S i S Cl K Ca Ti Fe Cu Zn W Co V Mn 0% 20% 40% 60% 80% 100% 0, 04 0, 08 0, 14 0, 21 0, 32 0, 51 0, 81 1, 26 2, 00 3, 32 5, 47 8, 25 Aerodynamsk diameter (µm) R e la ti v ko n cen tr a ti o n ( % ) Co W Zn Cu Fe Ti Ca K Cl S 0% 20% 40% 60% 80% 100% 0, 0 4 0, 0 8 0, 1 4 0, 2 1 0, 3 2 0, 5 1 0, 8 1 1, 2 6 2, 0 0 3, 3 2 5, 4 7 8, 2 5 Areodynamisk diameter (µm) Re la ti v ko n ce n tr a ti o n (% ) Co W Zn Cu Fe Ti Ca K Cl S Si

Dalby utan gummi Dalby med gummi

4.5

Slitage, textur och dubbutstick

Slitageutvecklingen under inkörning och partikelmätning för båda beläggningarna visas i Figur 22. Inledningsvis slits Dalby med gummi snabbare, men då stenmaterialet slitits fram, efter 50 000 varv, utvecklas slitaget likvärdigt beläggningarna emellan. Orsaken till att slitagehastigheten ökar vid torra förhållanden under mätningen beror sannolikt på att de dubbdäck som används vid mätningen har ett större dubbutstick än under inkör-ningsperioden. Inslitning av beläggning Våta förhållanden Gislaved Nordfrost 3 Mätning Torra förhållanden Nokian Hakkapelliita 4 0 40000 80000 120000 Varv i provvägsmaskin 0 1 2 3 4 M e de lsli tag e (m m)

Dalby med gummi Dalby utan gummi

Figur 22 Slitageutvecklingen för de båda ingående beläggningarna under inkörning och mätning. Medelvärden för fyra beläggningsplattor.

Makrotexturen för Dalby utan gummi är i stort sett opåverkad under hela försöket. För

Dalby med gummi minskar makrotexturen något under inslitningen och ökar något

under själva mätningen (Figur 23). Förändringarna är dock mycket små.

0 40000 80000 120000 Varv i provvägsmaskin 0 0.5 1 1.5 2 2.5 Mak rot e x tu r (m m )

Dalby med gummi Dalby utan gummi

Inslitning av beläggning Våta förhållanden Gislaved Nordfrost 3 Mätning Torra förhållanden Nokian Hakkapelliita 4

Figur 23 Makrotexturens utveckling för de båda ingående beläggningarna under in-körning och mätning. Medelvärden för fyra beläggningsplattor.

Dubbutsticket hos provningsdäcken var vid start detsamma för båda mätningarna. Utsticket minskade marginellt vid mätningen av Dalby med gummi, medan det förblev oförändrat för Dalby utan gummi (Figur 24).

0 40000 80000 120000 Varv i provvägsmaskin 0 0.5 1 1.5 2 2.5 D u bb us ti c k (m m )

Dalby med gummi Dalby utan gummi

Inslitning av beläggning Våta förhållanden Gislaved Nordfrost 3 Mätning Torra förhållanden Nokian Hakkapelliita 4

Figur 24 Genomsnittligt dubbutstick för de däck som användes under båda försöken.

Mikrotexturen, representerat av friktionsvärdet (µ) efter inslitning av beläggningen visade ingen statistiskt signifikant skillnad mellan beläggningarna (Figur 25).

Dalby med gummi Dalby utan gummi

0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 F rikt ionsta l (µ)

Figur 25 Mikrotexturen, representerat av friktionsvärdet för beläggningarna Dalby med gummi och Dalby utan gummi.

5 Diskussion

Vid de båda mätomgångarna var utgångsförutsättningarna avseende temperaturer och luftfuktighet i det närmaste identiska. Jämförelse av resultaten då Dalby med gummi och

Dalby utan gummi underlättas därmed.

En sammantagen bedömning av uppmätta halter av PM10 med TEOM, DustTrak och

APS ger att Dalby utan gummi avger högre halter, vilket är tydligast i 50 km/h och i början av perioden med 70 km/h. Under 70 km/h–intervallet för Dalby med gummi tenderar PM10–halten att öka medan den minskar något för Dalby utan gummi. Möjliga

orsaker kan vara relaterade till att gummiinblandningen påverkar beläggningens tempe-ratur- och elasticitetsegenskaper. Temperaturen ökar nämligen snabbare i beläggningen utan gummi (se bilaga, figur 1). Tidigare försök har påvisat ett samband mellan

minskande halter PM10 vid ökande beläggningstemperatur.

Storleksfördelningarna (APS) visar att Dalby utan gummi har ett grövre maximum än

Dalby med gummi. En möjlig förklaring är att gummiinblandningen kan ge upphov till

partiklar med delvis annorlunda morfologi vilket kan påverka APS-instrumentet, som antar att alla partiklar är sfäriska.

Antalskoncentrationen av ultrafina partiklar (mätt med SMPS) skiljer sig tydligt mellan beläggningarna. Dalby utan gummi genererar högre koncentrationer än Dalby med

gummi vid 50 och 70 km/h. Vid 30 km/h ger Dalby med gummi, högre koncentrationer

än Dalby utan gummi. Antalskoncentrationerna för beläggningarna har sina maxima vid ungefär samma partikelstorlek. Ultrafina partiklar i intervallet runt 20–50 nm uppstår alltid vid mätningar med dubbdäck i PVM. Det är ännu oklart vilken källan till dessa mycket små partiklar är, men deras morfologi och koppling till dubbdäck antyder att det kan vara däcken som är källan. I vilket fall som helst är det otvetydigt så att däcken är en viktig faktor för den process som genererar dem. Vilken roll det kan ha för proces-serna att däckgummi också finns som källa i vägbeläggningen går inte att besvara med denna underökning, men bör undersökas närmare. Denna partikeltyp (ultrafina partiklar) har hittills inte studerats i verkliga trafikförhållanden, vilket lär vara komplicerat då storleksintervallet sammanfaller med avgaspartiklarnas.

Studierna av partiklar i elektronmikroskop syftade till att utröna om någon skillnad föreligger i morfologi och sammansättning mellan PM10 från de olika beläggningarna.

Resultaten visar att PM10 helt domineras av mineralpartiklar från beläggningarnas

stenmaterial. Eftersom detta är detsamma i beläggningarna förelåg heller ingen skillnad i sammansättning och morfologi. Huvudsakliga grundämnen var kisel, aluminium, syre, kalium, kalcium, natrium, magnesium och järn. Partiklarnas flisighet, skarpa kanter och rena ytor tyder på att de är färska, dvs. nybildade av dubbdäcksslitaget. Studierna visar, i likhet med tidigare studier (Gustafsson et al., 2008) att det i dessa partikelfraktioner (< 10 µm) är svårt att identifiera partiklar från t.ex. däck och bitumen med SEM/EDX. Nuvarande kunskap om slitagepartiklar från däck tyder på att de dels är större än den inandningsbara fraktionen, dels förekommer i storlekar under ca 1 µm. Huvuddelen av massan är organisk och kan ej identifieras med EDX. De ultrafina partiklar som

observerades med hjälp av SMPS (Figur 7) är svåra att identifiera i mikrografierna, dels på grund av filtrens vävyta, dels på grund av de troligen aggregerar till större partiklar på filterytan och således är svåra att urskilja. De är även för små för att analyseras med EDX i dessa filterprov, då elektronstrålen mäter i en volym, betydligt större än dessa små partiklar.

Grundämnesanalyserna med PIXE av olika storleksklasser av inandningsbara partiklar visar på en slående likhet mellan fördelningen av grundämnen inom den inandningsbara

fraktionen i prover från båda beläggningarna. Resultaten visar en kraftig dominans av mineralanknutna grundämnen i de grövre fraktionerna. Dominansen avtar med minskande partikelstorlek och under ca 1 µm ökar andelen svavel kraftigt. Källan till detta svavel är sannolikt däcken, men kan även vara knutet till beläggningens bitumen. Resultaten är i överensstämmelse med motsvarande analyser för andra kombinationer av däck och beläggning (Gustafsson et al., 2009). Förekomst av zink tyder också på ett bidrag från däck och då detta bidrag inte skiljer nämnvärt mellan beläggningarna är det inte troligt att ett detekterbart tillskott sker från däckmaterial inblandat i bitumenfasen. Wolfram kan också detekteras, vilket sannolikt härrör från däckens dubbar, där stiften består av wolframkarbid.

Slitagemätningarna visar att efter inledande avslitning av yttäckande bitumen utvecklas slitaget mycket lika på de två beläggningarna. Vanligtvis slits beläggning snabbare under våta förhållanden, men data i detta projekt visar att slitaget går snabbare under den torra mätperioden. Det är dock troligt att resultaten i föreliggande projekt är mer avhängigt av att olika däck används vid inkörning och mätning. Dubbutsticket på däcken som användes vid inkörningen var knappt 1 mm mindre än på de som användes vid mätningen. Texturen förändras mycket lite på båda beläggningarna under inkörning och mätning.

Dubbutsticket på de däck som användes under mätningen förändrades mycket lite, men minskade något under mätningen på Dalby med gummi. Det kunde noteras att bitumen-delen från Dalby med gummi tenderade att fastna på däckens dubbmantlar i betydligt större utsträckning än vid Dalby utan gummi. Denna effekt förstärks sannolikt av den snäva rotationen i PVM, men bör ändå noteras (Figur 26).

6 Slutsatser

• Partikelbildningen vid provvägsmaskinen bedöms sammantaget som lägre från beläggningen Dalby med gummi än från Dalby utan gummi. Särskilt tydligt är detta vid 50 km/h då samtliga partikelinstrument visar en tydlig skillnad belägg-ningarna emellan. Denna slutsats gäller såväl PM10 som ultrafina partiklar

• PM10 från Dalby utan gummi är något grövre än från Dalby med gummi

• Ingen skillnad föreligger beläggningarna emellan vad gäller grundämnessam-mansättningen hos enskilda PM10–partiklar. PM10 verkar uteslutande bestå av

fragment från beläggningarnas stenmaterial. Partiklar från däck eller bitumen har inte kunnat detekteras med denna metod

• Grundämnessammansättningen analyserad med PIXE visar ingen tydlig skillnad mellan de båda beläggningarna. Till skillnad från SEM/EDX-analysen kan dock grundämnen knutna till däck och möjligen bitumen noteras. Svavel och zink finns, särskilt i de finare fraktionerna, och bedöms där härröra från däck • Slitaget av beläggningarna utvecklades, efter inledande inkörning, mycket lika • Mikrotexturen, representerat av friktionsvärdet skilde sig inte signifikant mellan

beläggningarna

• Dubbutsticket minskade marginellt vid mätningen av Dalby med gummi, medan det förblev oförändrat för Dalby utan gummi.

Referenser

Gustafsson, M., et al., 2009: NanoWear – nanopartiklar från däck- och vägbaneslitage? VTI rapport (in press).

Gustafsson, M., et al., 2008: Properties and toxicological effects of particles from the interaction between tyres, road pavement and winter traction material. Science of the Total Environment 393, 226–240.

Bilaga 1 Sidan 1 (2)

Temperaturer och luftfuktighet

0:00 1:00 2:00 3:00 4:00 5:00 6:00 Tid från start (h) -2 0 2 4 6 8 10 Tem pe rat u r (° C)

Beläggningstemp. Dalby utan gummi Beläggningstemp. Dalby med gummi

Figur 1 Förändring i beläggningstemperaturer under försöken.

0:00 1:00 2:00 3:00 4:00 5:00 6:00 Tid från start (h) 0 2 4 6 8 10 Te m p e rat u r (°C)

Lufttemp. Dalby utan gummi Lufttemp. Dalby med gummi

Bilaga 1 Sidan 2 (2) 0:00 1:00 2:00 3:00 4:00 5:00 6:00 Tid från start (h) -5 0 5 10 15 20 Te m p e rat u r (°C)

Däcktemp. Dalby utan gummi (080212) Däcktemp. Dalby med gummi

Figur 3 Förändring i däcktemperatur under försöken. Ingen data tillgänglig för Dalby utan gummi. 0:00 1:00 2:00 3:00 4:00 5:00 6:00 Tid från start (h) 50 60 70 80 90 100 Rel a ti v lu ftf uk tighet (%)

Relativ luftfukt. Dalby utan gummi Relativ luftfukt. Dalby med gummi

www.vti.se vti@vti.se

VTI är ett oberoende och internationellt framstående forskningsinstitut som arbetar med forskning och utveckling inom transportsektorn. Vi arbetar med samtliga trafikslag och kärnkompetensen finns inom områdena säkerhet, ekonomi, miljö, trafik- och transportanalys, beteende och samspel mellan människa-fordon-transportsystem samt inom vägkonstruktion, drift och underhåll. VTI är världsledande inom ett flertal områden, till exempel simulatorteknik. VTI har tjänster som sträcker sig från förstudier, oberoende kvalificerade utredningar och expertutlåtanden till projektledning samt forskning och utveckling. Vår tekniska utrustning består bland annat av körsimulatorer för väg- och järnvägstrafik, väglaboratorium, däckprovnings-anläggning, krockbanor och mycket mer. Vi kan även erbjuda ett brett utbud av kurser och seminarier inom transportområdet.

VTI is an independent, internationally outstanding research institute which is engaged on research and development in the transport sector. Our work covers all modes, and our core competence is in the fields of safety, economy, environment, traffic and transport analysis, behaviour and the man-vehicle-transport system interaction, and in road design, operation and maintenance. VTI is a world leader in several areas, for instance in simulator technology. VTI provides services ranging from preliminary studies, highlevel independent investigations and expert statements to project management, research and development. Our technical equipment includes driving simulators for road and rail traffic, a road laboratory, a tyre testing facility, crash tracks and a lot more. We can also offer a broad selection of courses and seminars in the field of transport.