Road Surface and Tyre Interaction

Functional Properties affecting Road Dust Load Dynamics and Storage

Tid: Ti 2020-06-02 kl 09.00

Plats: Registrera dig här: https://kth-se.zoom.us/webinar/register/WN_vZiy4PpORU2GrLe-nbAwaw, Du som saknar dator/datorvana kan kontakta thoyra@kth.se för information/Use the e-mail address if you need technical assistance, (English)

Ämnesområde: Byggvetenskap Byggnadsmaterial

Respondent: Joacim Lundberg , Byggnadsmaterial, VTI - Statens Väg- och Transportforskningsinstitut

Opponent: Research Professor Xavier Querol, IDAE-CSIS

Handledare: Professor Sigurdur Erlingsson, Byggnadsmaterial, VTI - Statens Väg- och Transportforskningsinstitut / Islands Universitet; Senior Forskare Mats Gustafsson, VTI - Statens Väg- och Transportforskningsinstitut

Abstract

Luftburna partiklar (PM) är ett problem för människans hälsa, där flertalet samband mellan negativa hälsoeffekter finns mellan luftföroreningar finns, bland annat för respiratoriska sjukdomar, lungcancer och kardiovaskulära sjukdomar med flera. I länder där dubbdäck används, till exempel Sverige, Finland och Norge, och sandning av vägar och gator genomförs vintertid för att säkerställa god friktion kommer en betydande andel av partiklarna från vägslitage och nedkrossning av sand vilket bidrar till PM10. Mängden som icke-avgaspartiklar bidrar med till PM10 varierar med lägst nivåer på landsbygd och högst nivåer i vägnära miljöer.

Avhandlingen har flertalet mål, där ett bredare mål är att undersöka det komplexa väg-ytadäcksystemet gällande vägslitage och dess inverkan på genererandet av slitagepartiklar och vägdamm, inklusive transporten och lagringen av vägdamm på vägytan. Avhandlingen syftar även att sätta in dessa aspekter i relation till andra lika komplexa funktionella parametrar som kommer av eller påverkas av vägyta-däckinteraktionen såsom bullergenerering, rullmotstånd och fiktion. Detta görs genom några mer specifika mål och begränsningar som beskrivs i avhandlingen. Avhandlingen har även det fundamentala syftet att agera som en start för att nå ett holistiskt helhetsgrepp för att förstå den funktionella prestandan som krävs för väg-ytadäckinteraktionen, vilket har genomförts i samarbete med Vieira och det som han publicerar i sin avhandling.

Vägyta-däckinteraktionen utgörs av ett komplex kontaktsystem, som påverkas av både däckegenskaper och vägens egenskaper, dels ingående material och vägytans karaktär, samt omkringgivande miljö och eventuella mellanlager av till exempel vatten, slask, snö, is eller sand och grus med mera.

Slitlagret, eller vägbeläggningen, har flera funktioner som beror på de ingående materialens egenskaper. Beläggningen måste motstå flertalet olika nedbrytningsprocesser, inklusive stensläpp, olika typer av deformation, olika typer av sprickor och slitage från dubbdäck bland annat.

Beläggningens konstruktion och trafikens sammansättning och egenskaper påverkar även partikelgenereringen, där beläggningsegenskaperna som styr nötningsmotståndet mot dubbdäckslitage även påverkar genereringen av slitagepartiklar.

Andra aspekter som påverkas av vägyta-däckinteraktionen är genereringen av buller och fordonets rullmotstånd. Buller har likt partiklar negativa hälsoeffekter och vägyta-däckinteraktionen är den dominerande källan till trafikbuller från ungefär 15 - 25 km/h för lätta fordon och från ungefär 30 - 35 km/h för tunga fordon. Flertalet mekanismer ger upphov eller förstärker bullret, och flera är kopplade till ytans beskaffenhet såsom makrotexturen. Rullmotstånd är omvandlingen av mekanisk energi till värme för ett rullande däck och påverkas av både däckets och vägytans deflektion och deformation, och påverkas även av vägytans beskaffenhet av t.ex. ojämnheter och makrotexturen. Rullmotståndet ör kopplat till bränsleförbrukningen och därigenom till avgasemissioner. En annan funktionell egenskap för vägytan är friktionen som påverkas av vägytans beskaffenhet av både mikro- och makrotexturen.

Det finns flertalet åtgärder för att minska vägdamm och PM10. Åtgärderna kan vara preventiva eller avhjälpande. I avhandlingen beskrivs åtgärder riktade mot att förändra trafiksituationen och däckanvändningen, byte av vägbeläggning, städning av vägytan och dammbindning.

Flertalet metoder har använts i studierna som diskuteras i avhandlingen och består av en storskalig vägsimulator, användandet av lasermätsystem för bestämning av vägslitage respektive textur, dels en prediktionsmodell för dubbdäcksslitage och den nordiska NORTRIP-modellen för modellering av icke-avgasemissioner från vägtrafik. Även ett kommersiellt trafiksystem har nyttjats samt en metod för att bestämma dubbdäcksandelen av trafiken. Vägdamm har samlats in och kvantifierats genom användandet av WDS (Wet Dust Sampler) metoden och det insamlade dammet har beskrivits och karakteriserats med hjälp av en laboratoriemetod och med hjälp av lasergranulometri. Turbiditet har även använts som en approximation av vägdammsförrådet.

Fem artiklar finns bifogade till avhandlingen. Den första handlar i korthet om en kalibrering av den svenska prediktionsmodellen för dubbdäckslitage av vägar och dess effekt på NORTRIP-modellen, där slitagemodellen är implementerad. Den andra artikeln handlar om olika vägbeläggningars makrotextur och hur olika mått kan användas för att beskriva den potentiella lagringsförmågan. Den tredje artikeln undersöker WDS-metoden, dels beträffandes dess prestanda gällande vatten samt dels hur detta teoretiskt påverkar eventuella dammförluster. Den fjärde artikeln handlar om den rumsvariationen och tidsvariationen av vägdamm för sex vinter- och vårsäsonger i Stockholm för flera gator med ABS (AsfaltsBetong, Stenrik)-beläggningar. Den femte artikeln genomförde en liknande undersökning under en vinter- och vårsäsong i Linköping för en dubbeldränerande beläggning och för en ABS-beläggning som agerade referens. Resultaten jämfördes med resultaten i Stockholm när det var möjligt.

Resultaten visar att slitagemodelleringen överskattade slitaget med ungefär 50%, vilket ledde till att NORTRIP-modellen överskattar bidraget från dubbdäckslitage till partikelemissionerna, vilket inte var förvånande. Dock är det inte troligt att NORTRIP-modellen får motsvarande minskning då vägyta-däckinteraktionen är komplex och flertalet aspekter påverkar slitaget och den efterföljande genereringen och lagringen av vägdamm, såsom polering av vägytan, ökat slitage vid våt vägbana med mera.

Resultaten från undersökningen med WDS-metoden visar att metoden verkar fungera väl, givet begränsningarna som fanns i studien. Den största vattenförlusten verkar vara det vatten som lämnas kvar på ytan. Det verkar även som att det mesta av dammet samlas upp. Diskussionen tar även upp hur WDS-metoden använder sig av vatten och vilka för- och nackdelar detta har jämfört med en torr metod.

Resultaten från undersökningarna om rumsvariationen och tidsvariationen av vägdammsförrådet i Stockholm visade att det fanns skillnader mellan olika säsonger, och att det fanns en skillnad mellan dammängderna i hjulspåren och mellan hjulspåren. I vissa fall syntes även skillnader mellan de undersökta gatorna med stora variationer, vilket kunde förväntas då dammförrådet beror på trafiksammansättningen, mängden fordon, vägdriften, deposition av material på ytan och meteorologin. Ett annat resultat var att en ökande makrotextur verkade resultera i ett högre dammförråd. Generellt var makrotexturen lägre mellan hjulspåren och högre i hjulspåren, vilket ej var förvånande på grund av trafikens inverkan på texturutvecklingen. Detta var dock enbart uppmätt vid ett tillfälle. Omläggningen av en ABS-beläggning till en mer slittålig ABS-beläggning genomfördes, med ett högre dammförråd som följt jämfört med före omläggningen, samtidigt som okulärbesiktning av vägytan antydde att makrotexturen ökat. Dock kan detta ha påverkats av ett högre slitage vilket inträffar under en beläggnings första vintersäsong på grund av ett extra initialslitage. Resultaten i Linköping visade liknande tids- och rumsvariation som i Stockholm för den undersökta ABS-beläggningen. Vidare diskuterades även hur den dränerande beläggningens konstruktion inverkar på partiklarnas transportprocesser. I jämförelsen föreslogs även att dammbindningen och städningen i Stockholm påverkar dammförrådet, då dessa åtgärder saknas i Linköping, vilket möjligtvis reflekteras i vägdammsförrådet i och mellan hjulspåren.

En diskussion förs kring hur olika texturmått kan användas för att karakterisera vägytans textur och hur detta kopplar till dammförrådet, samt vad som kan vara lämpligt att initialt använda, även om det påpekas att måttet som bör användas inte nödvändigtvis är upptäckt än.

Diskussionen tar även upp avsaknaden av ett holistiskt helhetsgrepp gällande vägyta-däckinteraktionen som tar samtidig hänsyn till effekter såsom slitagepartiklar, buller och rullmotstånd. Det verkar finnas några åtgärder som kan vara av intresse för att förbättra minst två aspekter samtidigt, till exempel användandet av en dubbeldränerande beläggning eller texturoptimering. En diskussion förs mellan för och nackdelar gällande de olika mekanismerna som påverkar de olika effekterna, samt hur vissa mekanismer bör undersökas närmare utifrån andra perspektiv, till exempel bullermekanismer som kan vara intressanta ur partikelsynpunkt.

Avhandlingen ger slutligen flera förslag till fortsatta undersökningar för att öka kunskapen. Detta gäller dels vägslitagemodellering och vägdammsmodellering där även vägytans textur bör beaktas. Vidare bör även mekanismer från andra effekter från vägyta-däckinteraktionen, till exempel de som påverkar buller, även undersökas och användas för att förklara mekanismer relaterade till vägdammsgenerering och uppvirvling. Det föreslås även flertalet gemensamma undersökningar som simultant undersöker flera aspekter, såsom till exempel buller, rullmotstånd, vägytans egenskaper, vägslitage, slitagepartiklar, vägdammsförrådet, uppvirvlingen av partiklar och friktion, vilket krävs för att slutligen åstadkomma det holistiska helhetsgreppet som krävs för att minst minimera intressekonflikter mellan olika funktionsegenskaper för vägbeläggningar.

urn.kb.se/resolve?urn=urn:nbn:se:kth:diva-272410