Slitagepartiklar från vägbeläggning med gummiinblandad bitumen

Transkript

1 VTI notat 1-29 Utgivningsår 29 Slitagepartiklar från vägbeläggning med gummiinblandad bitumen Jämförelser med referensbeläggning Mats Gustafsson Göran Blomqvist Per Jonsson Anders Gudmundsson

2

3 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 29 Mats Gustafsson Dnr: 27/ VTI notat 1-29

4 Kvalitetsgranskning Intern peer review har genomförts av Kerstin Robertsson. Mats Gustafsson har genomfört justeringar av slutligt rapportmanus Projektledarens närmaste chef, Maud Göthe-Lundgren, har därefter granskat och godkänt publikationen för publicering Quality review Internal peer review was performed on 25 June 28 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 29. VTI notat 1-29

5 Innehållsförteckning Sammanfattning... 5 Summary Inledning Förkortningar Metod Provvägsmaskin Inkörning av beläggning Försöksdesign, partikelmätning Partikelmätning Partikelkaraktärisering med SEM/EDX och PIXE Mätning av slitage, textur och dubbutstick Resultat Partikelkoncentration Storleksfördelningar SEM/EDX PIXE Slitage, textur och dubbutstick Diskussion Slutsatser Referenser... 4 Bilaga 1 Temperaturer och luftfuktighet VTI notat 1-29

6 VTI notat 1-29

7 Slitagespartiklar från vägbeläggning med gummiinblandad bitumen jämförelser med referensbeläggning av Mats Gustafsson, Göran Blomqvist, Per Jonsson och Anders Gudmundsson VTI Linköping Sammanfattning Dubbdäcksslitage av vägbeläggningar orsakar emissioner av inandningsbara partiklar (PM 1 ) vars tillåtna halt i omgivningsluften är reglerad enligt en miljökvalitetsnorm. Ett sätt att minska partikelemissionen är att anpassa beläggningarnas egenskaper. Föreliggande 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 PM 1, som ultrafina partiklar. Såväl analyserna med SEM/EDX som med PIXE avslöjar inga skillnader i sammansättningen mellan slitagepartiklar från de två beläggningarna. Inte heller slitage eller textur skiljde sig signifikant åt beläggningarna emellan. Lunds universitet VTI notat

8 6 VTI notat 1-29

9 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 Linköping Sweden Summary Studded tyre wear of road pavements cause emissions of inhalable particles (PM 1 ). Allowed concentration of PM 1 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 PM 1 and ultrafine particles, while there were no significant differences between their chemical compositions. University of Lund VTI notat

10 8 VTI notat 1-29

11 1 Inledning Syftet med uppdraget var att jämföra partikelbildande egenskaper hos en konventionell ABS-beläggning (innehållande kvartsit med största stenstorlek 16 mm) med en beläggning där innehållet av bitumen modifierats med inblandning av 2 % gummikomponenter. 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 avdelningen för ergonomi och aerosolteknik, institutionen för designvetenskaper, Lunds tekniska högskola. VTI notat

12 2 Förkortningar ABS asfaltbetong, stenrik APS aerodynamic particle sizer (partikelstorleksfördelning) DT DustTrak (mäter PM 1 eller PM 2,5 ) kev kiloelektronvolt enhet för olika energinivåer för grundämnestoppar i EDX spektra (se nedan) PIXE partikelinducerad röntgenemission (för noggrann sammansättning av hela partikelprover) PM 1 masskoncentrationen av partiklar mindre än 1 µm (inandningsbara partiklar) PM 2,5 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 PM 1 ) 1 VTI notat 1-29

13 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 mätinstrumenten 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,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 7 km/h. I hastigheter över 3 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 5 varv i 7 km/h. För båda beläggningarna bedömdes dock ytterligare inslitning behövas för att få fram stenmaterialet, varför ytterligare 33 varv kördes, det vill säga totalt 83 varv. 3.3 Försöksdesign, partikelmätning VTI:s provvägsmaskin (PMV) är installerad i ett slutet rum med kontrollerad ventilation. Vid användande kan beläggning, däcktyp och starttemperatur i rum och beläggning VTI notat

14 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 3 1 tim 3 min Nej 5 1 tim 3 min Nej 7 2 tim Nej 7 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 masskoncentration av PM 1 (masskoncentrationen av partiklar mindre än 1 µm). Metoden är godkänd för luftkvalitetsövervakning DustTrak (DT) Två av dess optiska instrument användes vid undersökningen: det ena mätte PM 2,5 (masskoncentrationen av partiklar mindre än 2,5 µm) och det andra PM 1. Tidsupplösningen för båda var tre sekunder. Metoden är inte godkänd för luftkvalitetsövervakning men har högre tidsupplösning än TEOM Aerodynamic Particle Sizer (APS) och Scanning Mobility Particle Sizer (SMPS) Instrumenten mäter partiklar i storleksintervallen 7,64 3 nm (SMPS) och,523 17,14 µm (APS). Data i det lägre intervallet presenteras som antalsfördelning, 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 PM 1 -inlet som avskiljer partiklar större än 1 µm. Partiklar provtogs dessutom med 12-stegs kaskadimpaktor och PM 1 -provtagare för analys av grundämnesinnehåll. Utöver partiklar mättes luft-, däck- och beläggningstemperatur. Även relativ luftfuktighet registrerades under mätningarna. Innan undersökningen startades kyldes hallen. Målet var att uppnå någon minusgrad vid testerna för att efterlikna realistiska vinterförhållanden. Vid försöken med de två beläggningarna uppnåddes starttemperaturer på cirka -1 C (se Tabell 2). 3.5 Partikelkaraktärisering med SEM/EDX och PIXE PM 1 insamlat med filterprovtagare under mätning vid de båda beläggningarna studerades i svepelektronmikroskop (SEM) och grundämnesspektra hos enskilda partiklar uppmättes med hjälp av EDX (emissionsdispersiv röntgenanalys) för ett antal partikeltyper. 12 VTI notat 1-29

15 Filterprover tagna med kaskadimpaktor analyserades med hjälp av PIXE (partikelinducerad 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 5 varv under inkörningen, efter 83 varv vid inkörningens slut och efter 13 varv då partikelmätningen genomförts. För Dalby utan gummi genomfördes ytterligare en mätning efter att en kontrollkörning genomförts på beläggningen. Makrotextur mättes enligt metod pren (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. VTI notat

16 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 respektive hastighetsintervall. Samtliga temperaturer ökade under försöket. Relativ luftfuktighet, som är beroende av främst lufttemperatur, varierade något under försöken. Tabell 2 Temperaturer och luftfuktighet under mätningarna för Dalby utan gummi. Parameter Vid start 3 km/h 5 km/h 7 km/h Beläggningstemperatur ( C) -,9 1,4 3,3 6,6 Lufttemperatur ( C) 1,7 2,3 4,3 7,7 Relativ luftfuktighet (%) 68,3 69, 7,2 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 3 km/h 5 km/h 7 km/h Beläggningstemperatur ( C) -,8,5 2,2 5, Lufttemperatur ( C) 1, 2, 3,7 7, Relativ luftfuktighet (%) 69,6 75,3 75,3 71,2 Däcktemperatur ( C),1 7,1 9,7 14, Figur 2 visar utvecklingen av halterna för PM 1 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 PM 1 och PM 2,5 under försöken med Dalby med gummi och Dalby utan gummi uppmätt med DustTrak-instrument. Som båda figurerna visar beror haltvariationen av hastigheten. Vid 3 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 5 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 7 km/h uppstår en uppvirvlingstopp, varefter halten åter planar ut. 14 VTI notat 1-29

17 16 Dalby utan gummi (TEOM) 8 Dalby med gummi (TEOM) Koncentration PM 1 (µg m -3 ) Dalby utan gummi (DT1) Dalby med gummi (DT1) Hastighet Hastighet (km h -1 ) : 1: 2: 3: 4: 5: 6: 7: Tid från start (h) Figur 2 Tidsserier av PM 1 uppmätt med både TEOM- och DustTrak-instrumenten för Dalby utan gummi och Dalby med gummi. Koncentration PM 2.5 och PM 1 (µg m -3 ) Dalby utan gummi PM1 Dalby utan gummi PM2.5 Dalby med gummi PM1 Dalby med gummi PM2.5 Hastighet Hastighet (km h -1 ) : 1: 2: 3: 4: 5: 6: 7: Tid från start (h) Figur 3 Masskoncentration av PM 2.5 (DustTrak) och PM 1 (DustTrak) vid 3, 5 och 7 km/h för Dalby med gummi respektive Dalby utan gummi. Figur 4 visar medelkoncentrationerna av PM 1 under tio minuter i slutet av hastighetsintervallen 3, 5 och 7 km/h. VTI notat

18 8 Dalby utan gummi Dalby med gummi Koncentration PM 1 (µg m -3 ) Hastighet (km/h) Figur 4 Medianvärden av PM1 (DustTrak) under en tiominutersperiod i slutet av hastighetsintervallen 3, 5 respektive 7 km/h. Mönstret för partikelbildning för beläggningarna vid de tre hastigheterna är inte helt konsekvent; vid 3 km/h ger Dalby med gummi högst halter, medan Dalby utan gummi ger högre halter vid 5 km/h. Vid 7 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 sjunkande trend med tiden och beläggningen med gummi uppvisar en ökande 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 PM 1 tillsammans med antalsfördelningarna för de mindre partiklarna i intervallet 7,64 3 nm för de båda beläggningarna. Vid båda körningarna förekom en ultrafin partikelfraktion (< 1 nm) med ett maximum mindre än 1 nm tillsammans med en fraktion med ett maximum vid ungefär 2 3 nm. Dalby med gummi uppvisar lägre halter än Dalby utan gummi, förutom vid 3 km/h. Gällande de grövre partiklarna ger Dalby utan gummi upphov till högst halter, vilket även bekräftas av figur VTI notat 1-29

19 Figur 5 Storleksfördelningar för Dalby med gummi (ovan) och Dalby utan gummi (nedan). För APS-data (,523 17,14 µm) visas massfördelningen (dm/dlogdp) och för SMPS-data (7,64 3 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 (,523 17,14 µm) för hastigheterna 3, 5 och 7 km/h. Utsnitten är medelvärden av storleksfördelningarna under tiominutersperioder i slutet på hastighetsintervallen 3, 5 och 7 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 oberoende av hastighet. Generellt ger Dalby utan gummi också högre masskoncentrationer än Dalby med gummi, vilket märks särskilt väl vid 5 km/h. VTI notat

20 8 a 7 km/h Dalby utan gummi Dalby med gummi 6 dm/dlogdp [µg m -3 ] aerodynamisk diameter [µm] 8 b 5 km/h Dalby utan gummi Dalby med gummi 6 dm/dlogdp [µg m -3 ] aerodynamisk diameter [µm] 8 c 3 km/h Dalby utan gummi Dalby med gummi 6 dm/dlogdp [µg m -3 ] aerodynamisk diameter [µm] Figur 6 Massfördelningar för PM 1 för beläggningarna i a) 7 km/h, b) 5 km/h och c) 3 km/h. Under försöken med beläggningarna från Dalby bildades ultrafina (<1 nm) partiklar, vilket även varit fallet då andra beläggningar provats med dubbdäck (se t.ex. Gustafsson m.fl., 25). 18 VTI notat 1-29

21 3 a 7 km/h Dalby utan gummi Dalby med gummi dn/dlogdp [# cm -3 ] Aerodynamisk diameter [nm] 3 b 5 km/h Dalby utan gummi Dalby med gummi dn/dlogdp [# cm -3 ] Aerodynamisk diameter [nm] 3 c 3 km/h Dalby utan gummi Dalby med gummi dn/dlogdp [# cm -3 ] Aerodynamisk diameter [nm] Figur 7 Antalsfördelningar för ultrafina partiklar för beläggningarna i a) 7 km/h, b) 5 km/h och c) 3 km/h. I Figur 7 a c visas utsnitt av dessa ultrafina partiklar (7,64 3 nm, SMPS-data) för hastigheterna 3, 5 och 7 km/h. Utsnitten är medelvärden av storleksfördelningarna under tiominutersperioder i slutet på hastighetsintervallen 3, 5 och 7 km/h. Notera att förekomsten av partiklar i de olika storlekarna anges som antal per cm 3. VTI notat

22 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 3 km/h då Dalby med gummi har ett antalsmaxima vid 3 4 nm som är markant över Dalby utan gummi. Det bör dock poängteras att antalskoncentrationerna vid 3 km/h är låga jämfört med vid högre hastigheter. Vid alla hastigheterna uppvisar storleksfördelningen två antalsmaxima. Den grövre av topparna återfinns vid ca 2 3 nm, medan den finare bara delvis ligger inom mätområdet (< 1 nm). 4.3 SEM/EDX Figur 8 och Figur 9 visar båda översiktsbilder av filterytor bemängda med inandningsbara partiklar (PM 1 ) från de båda beläggningarna. Morfologiskt skiljer sig PM 1 från de olika beläggningarna inte från varandra. Båda domineras av flisiga mineralpartiklar härrörande från beläggningarnas stenmaterial. Däck- och bitumenpartiklar har inte kunnat identifieras visuellt. Figur 8 PM 1 från beläggningen Dalby med gummi i 4 gångers förstoring (måttstock i grönt). Den trådiga strukturen till vänster är filterytan som partiklarna deponerat på. 2 VTI notat 1-29

23 Figur 9 PM 1 från beläggningen Dalby utan gummi i 4 gångers förstoring (måttstock 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 partiklar i proverna undersökts med EDX. I figur 1 redovisas EDX-spektra för analyserade enskilda partiklar på PM 1 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 PM 1, såsom till exempel inslag av däckrelaterat ämne som zink (Zn) eller svavel (S), som skulle kunna härledas till gummiinblandningen i bitumenfasen. VTI notat

24 2 C O F Na Mg Al Si Au Au K K Ca 15 Counts kev 2 C O F Na Mg Al Si Au Au K K Ca 15 Counts kev Figur 1 Analyserade spektra från Dalby med gummi (röd) och Dalby utan gummi (blå). I Figur 11 Figur 2 visas ett urval av de enskilda partiklarnas morfologi och grundämnessammansättning. Fibrerna i bilderna är filterytan. Många partiklar är antingen flisiga med skarpa kanter (ex. Figur 11, Figur 12 och Figur 18) eller består av ansamlingar 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. 22 VTI notat 1-29

25 + Gummi, utsnitt 1 spot 1. 2 C O Al Si Au Au 15 Counts kev Figur 11 Mikrografi och EDX-spektrum för PM 1 partikel från Dalby med gummi. VTI notat

26 + Gummi, utsnitt 4, spot 2b. 2 C OFFe NaMg Al Si Au Au K KCa Ca Fe Fe 15 Counts kev Figur 12 Mikrografi och EDX-spektrum för PM 1 partikel från Dalby med gummi. 24 VTI notat 1-29

27 + Gummi, utsnitt 5, spot 1. 2 C OF Al Si Au Au K K 15 Counts kev Figur 13 Mikrografi och EDX-spektrum för PM 1 partikel från Dalby med gummi. VTI notat

28 + Gummi, utsnitt 5, spot 2. 2 C OFFe Mg Al Si Au Au Fe Fe 15 Counts kev Figur 14 Mikrografi och EDX-spektrum för PM 1 partikel från Dalby med gummi. 26 VTI notat 1-29

29 Gummi, utsnitt 3, spot 2. 2 C OF Al Si Au Au W 15 Counts kev Figur 15 Mikrografi och EDX-spektrum för PM 1 partikel från Dalby med gummi. VTI notat

30 + Referens, utsnitt 2, spot 1. 2 C OFFe Mg Al Si Au Au K K Fe Fe 15 Counts kev Figur 16 Mikrografi och EDX-spektrum för PM 1 partikel från Dalby utan gummi. 28 VTI notat 1-29

31 + Referens, utsnitt 2, spot 2. 2 C OFFe Al Si Au Au K K Fe Fe 15 Counts kev Figur 17 Mikrografi och EDX-spektrum för PM 1 partikel från Dalby utan gummi. VTI notat

32 Referens, utsnitt2, spot 3 och C OF Na Al Si Au Au Ca Ca 3 Counts kev 2 15 C OF Na Al Si Au Au 5 Counts kev Figur 18 Mikrografi och EDX-spektrum för PM 1 partiklar från Dalby utan gummi. 3 VTI notat 1-29

33 + Referens, utsnitt 3, spot 2. 2 C OFFe Na Al Si Au Au K KCa Ca Fe Fe 15 Counts kev Figur 19 Mikrografi och EDX-spektrum för PM 1 partikel från Dalby utan gummi. VTI notat

34 + Referens, utsnitt 3, spot 5. 2 C OFFe Na Al Si Au Au K KCa Ca Fe Fe 15 Counts kev Figur 2 Mikrografi och EDX-spektrum för PM 1 partikel från Dalby utan gummi. 32 VTI notat 1-29

35 4.4 PIXE PIXE-analyserna av Dalby utan gummi visade att de fem minsta partikelstorleksintervallen (,42;,8;,14;,21 och,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 ovanifrån och ned som: Masskoncentration (ng/m 3 ) för olika grundämnen och för de olika 12 partikelstorleksintervallen 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 PM 1 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-analysen 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 tilltagande 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 1 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 gummiinblandningen i bitumenfasen inte har någon detekterbar inverkan på partiklarnas sammansättning. VTI notat

36 1 Si 1 Si dm/dlogdp (ng/m 3 ) S Cl K Ca Ti Fe Cu Zn W dm/dlogdp (ng/m 3 ) S Cl K Ca Ti Fe Cu Zn W 1,1,1 1 1 Areodynamisk diameter (µm) Co 1,1,1 1 1 Areodynamisk diameter (µm) Co 1% Co 1% Co b Relativ koncentration (%) 8% 6% 4% 2% W Zn Cu Fe Ti Ca K Cl S Relativ koncentration (%) 8% 6% 4% 2% W Zn Cu Fe Ti Ca K Cl S % Si % Si,4,8,14,21,32,51,81 1,26 2, 3,32 Areodynamisk diameter (µm) 5,47 8,25,4,8,14,21,32,51,81 1,26 2, 3,32 Areodynamisk diameter (µm) 5,47 8,25 1% Co 1% Co Relativ koncentration (%) 8% 6% 4% 2% W Zn Cu Fe Ti Ca K Cl Relativ koncentration (%) 8% 6% 4% 2% W Zn Cu Fe Ti Ca K Cl % S % S,4,8,14,21,32,51,81 1,26 2, 3,32 Aerodynamsk diameter (µm) 5,47 8,25,4,8,14,21,32,51,81 1,26 2, 3,32 Aerodynamsk diameter (µm) 5,47 8,25 1 S 1 S 1 Cl K 1 Cl K Kvot X/Si,1,1,1,1,1 1 1,1 Ca Ti Fe Cu Zn W Co V Kvot X/Si,1,1,1,1,1 1 1 Ca Ti Fe Cu Zn W Co V,1 Aerodynamisk diameter (µm) Mn,1 Aerodynamisk diameter (µm) Mn Dalby utan gummi Dalby med gummi Figur 21 Resultat av PIXE-analyserna. 34 VTI notat 1-29

37 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 5 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 inkörningsperioden. 4 Dalby med gummi Dalby utan gummi Inslitning av beläggning Våta förhållanden Gislaved Nordfrost 3 Mätning Torra förhållanden Nokian Hakkapelliita 4 3 Medelslitage (mm) Varv i provvägsmaskin 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 Dalby med gummi Dalby utan gummi Inslitning av beläggning Våta förhållanden Gislaved Nordfrost 3 Mätning Torra förhållanden Nokian Hakkapelliita 4 Makrotextur (mm) Varv i provvägsmaskin Figur 23 Makrotexturens utveckling för de båda ingående beläggningarna under inkörning och mätning. Medelvärden för fyra beläggningsplattor. VTI notat

38 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) Dalby med gummi Dalby utan gummi Inslitning av beläggning Våta förhållanden Gislaved Nordfrost 3 Mätning Torra förhållanden Nokian Hakkapelliita 4 Dubbustick (mm) Varv i provvägsmaskin 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). 1.9 Friktionstal (µ) Dalby med gummi Dalby utan gummi Figur 25 Mikrotexturen, representerat av friktionsvärdet för beläggningarna Dalby med gummi och Dalby utan gummi. 36 VTI notat 1-29

39 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 PM 1 med TEOM, DustTrak och APS ger att Dalby utan gummi avger högre halter, vilket är tydligast i 5 km/h och i början av perioden med 7 km/h. Under 7 km/h intervallet för Dalby med gummi tenderar PM 1 halten att öka medan den minskar något för Dalby utan gummi. Möjliga orsaker kan vara relaterade till att gummiinblandningen påverkar beläggningens temperatur- och elasticitetsegenskaper. Temperaturen ökar nämligen snabbare i beläggningen utan gummi (se bilaga, figur 1). Tidigare försök har påvisat ett samband mellan minskande halter PM 1 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 5 och 7 km/h. Vid 3 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 2 5 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 processerna 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 PM 1 från de olika beläggningarna. Resultaten visar att PM 1 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., 28) att det i dessa partikelfraktioner (< 1 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 VTI notat

40 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., 29). 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 bitumendelen 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). Figur 26 Dubbmantlar med tjock pålagring av gummiinblandad bitumen. 38 VTI notat 1-29

41 6 Slutsatser Partikelbildningen vid provvägsmaskinen bedöms sammantaget som lägre från beläggningen Dalby med gummi än från Dalby utan gummi. Särskilt tydligt är detta vid 5 km/h då samtliga partikelinstrument visar en tydlig skillnad beläggningarna emellan. Denna slutsats gäller såväl PM 1 som ultrafina partiklar PM 1 från Dalby utan gummi är något grövre än från Dalby med gummi Ingen skillnad föreligger beläggningarna emellan vad gäller grundämnessammansättningen hos enskilda PM 1 partiklar. PM 1 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. VTI notat

42 Referenser Gustafsson, M., et al., 29: NanoWear nanopartiklar från däck- och vägbaneslitage? VTI rapport (in press). Gustafsson, M., et al., 28: Properties and toxicological effects of particles from the interaction between tyres, road pavement and winter traction material. Science of the Total Environment 393, VTI notat 1-29

43 Bilaga 1 Sidan 1 (2) Temperaturer och luftfuktighet 1 8 Beläggningstemp. Dalby utan gummi Beläggningstemp. Dalby med gummi Temperatur ( C) : 1: 2: 3: 4: 5: 6: Tid från start (h) Figur 1 Förändring i beläggningstemperaturer under försöken. 1 8 Lufttemp. Dalby utan gummi Lufttemp. Dalby med gummi Temperatur ( C) : 1: 2: 3: 4: 5: 6: Tid från start (h) Figur 2 Förändring i lufttemperatur under försöken. VTI notat 1-29

44 2 15 Bilaga 1 Sidan 2 (2) Däcktemp. Dalby utan gummi (8212) Däcktemp. Dalby med gummi Temperatur ( C) : 1: 2: 3: 4: 5: 6: Tid från start (h) Figur 3 Förändring i däcktemperatur under försöken. Ingen data tillgänglig för Dalby utan gummi. Relativ luftfuktighet (%) Relativ luftfukt. Dalby utan gummi Relativ luftfukt. Dalby med gummi 5 : 1: 2: 3: 4: 5: 6: Tid från start (h) Figur 4 Förändring i relativ luftfuktighet under försöken. VTI notat 1-29

45

46 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, däckprovningsanläggning, 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. HUVUDKONTOR/HEAD OFFICE LINKÖPING BORLÄNGE STOCKHOLM GÖTEBORG POST/MAIL SE LINKÖPING POST/MAIL BOX 76 POST/MAIL BOX POST/MAIL BOX 877 TEL +46() SE BORLÄNGE SE STOCKHOLM SE-4278 GÖTEBORG TEL +46 () TEL +46 () TEL +46 ()317526