Asfaltslitasje og svevestøv i Norge Karakterisering av støvpartiklers fysiske og kjemiske egenskaper Dr.ing. avhandling Brynhild Snilsberg (28:133) Trafikkmengden er høy i store byer i Norge. Bruk av piggdekk og andre friksjonsforbedrende tiltak om vinteren medfører stor asfaltslitasje, som fører til en økning i mengde svevestøv i byer og tettsteder som ofte overskrider luftkvalitetskriteriet for uteluft. Dette utgjør en plage eller helserisiko for befolkningen som eksponeres for denne type forurensning. I følge krav satt av den Europeiske Union blir partikulært materiale målt og regulert gjennom massekonsentrasjon av partikler mindre enn 1 m i diameter (PM1). Studier av helseeffekter relatert til eksponering for partikulært materiale viser imidlertid at partikkelegenskaper som morfologi og sammensetning er viktige for giftighet og for vurdering av risiko for utvikling av sykdom. Det ser ut til at sammenhengen mellom partikulær forurensning og helseeffekter er kompleks, og den kan ikke forklares ut ifra massekonsentrasjonen alene. Dette betyr at det er viktig å karakterisere vegstøvpartikler med hensyn på fysiske og kjemiske egenskaper. Karakterisering av vegstøvpartikler er viktig med tanke på å gi et grunnlag for bedre å forstå vegslitasjen og produksjon av vegstøv, og hvordan dette påvirker menneskers helse i urbane områder. Hovedmålsettingen med dette studiet var å karakterisere partikler generert fra vegslitasje kvalitativt og kvantitativt. Fem artikler er inkludert i avhandlingen. Paper I og II presenterer feltmålinger av vegstøv som ble prøvetatt i vertikal retning rett ved en trafikkert veg i Trondheim, Norge. I Paper III ble forskjellige laboratoriemetoder brukt for å simulere vegslitasje og produsere vegstøv fra piggdekk. Paper IV og V beskriver hvordan tilslagets størrelse, kjørehastighet og type bildekk påvirker vegslitasjen og partikkelegenskapene. Hovedkonklusjonene fra studiet er: Piggdekk brukt i vinterhalvåret i Norge er hovedårsaken til produksjon av støv fra vegslitasje. Hvis piggdekk ikke ble brukt, ville det være mye mindre svevestøv i urbane områder på grunn av vegslitasje. Piggdekk gir 3 4 ganger større mengde slitasjepartikler sammenlignet med piggfrie dekk i laboratorieforsøk. Vegstøvet består av nesten 9 vekt % mineralpartikler om vinteren, og ca. 5 % av partiklene har en størrelse mindre enn 25 m (D5). Basert på alle prøver som ble undersøkt var D1 på 3 m og D9 på 6 m. Agglomerering av partiklene gir imidlertid en grovere partikkelstørrelsesfordeling enn det virkelig er. Piggdekk
gir støv med finere partikkelstørrelsesfordeling enn piggfrie dekk. Hovedandelen av partiklene kan beskrives som avrundete partikler, med gjennomsnittlig rundhet på rundt.6. Det spesifikke overflatearealet til prøven er avhengig av mengde organisk materiale til stede i prøven, samt partikkelstørrelsesfordelingen. Generelt sett har feltprøver høyere overflateareal enn prøver produsert i laboratoriet på grunn av høyere organisk innhold. Men for prøver hvor partiklene har høy nedmalingsgrad, kan prøver produsert i laboratoriet gi høyere spesifikk overflate på grunn av finere partikkelstørrelsesfordeling. Tabell 1.Mengde støv som funksjon av bildekktype Tire type TSP (gram/h) PM1 (%) PM2.5 (%) PM.1 (%) Inorganic content (%) Studded tires 92.7 29 7.6.14 89.5 Non studded winter tires 2.3 13 3.5 85.5 Summer tires 3. 1 7.8.11 73.4 5 Volume frequency (%) 4 3 2 1 Studded tires Non studded winter tires Summer tires.1.1 1 1 1 1 Particle diameter (um) Figur 1. Partikkelstørrelsesfordeling som funksjon av bildekktype Andre faktorer som påvirker produksjon av slitasjepartikler er kjørehastighet og type steinmateriale brukt i asfalten. Testresultater viser at PM1 konsentrasjonen målt under laboratorieforhold går ned med 32 49 % når hastigheten reduseres fra 7 til 5 km/h, 52 83 % når hastigheten reduseres fra 5 til 3 km/h, og 76 89 % når hastigheten reduseres fra 7 til 3 km/h. Kjørehastigheten påvirker også fordelingen til partikkelstørrelsen og partikkelformen. Steinmaterialet i asfalten påvirker mengde støv generert, partikkelstørrelsesfordelingen, partikkelformen og det spesifikke overflatearealet. Totalmengde støv (TSP) og PM1 kan være veldig forskjellige; høy TSP medfører ikke nødvendigvis høy PM1 konsentrasjon og omvendt.
PM1 (mg/m3) 5 4 3 2 1 25 5 75 1 Studded tires (%) 7 km/h 5 km/h 3 km/h PM1 =.42 * Studded tires +.19 R2=.9859 PM1 =.274 * Studded tires +.125 R2=.9898 PM1 =.44 * Studded tires +.4 R2=.9918 Figur 2. PM1 som en funksjon av piggdekandel og forskjellige hastigheter for Ska 11 PM1 (mg/m3) 12 1 8 6 4 2 y = 1.8143x 1.2667 R 2 =.9812 2 3 4 5 6 7 Speed (km/h) Figur 3. PM1 konsentrasjon (mg/m 3 ) som funksjon av kjørehastighet (km/h) for Ska 8, 1 % piggdekk Metoder brukt for å studere asfaltslitasje og støvproduksjon i laboratoriet viser at det er mulig å generere støv sammenlignbart med støv generert fra piggdekk ved bruk av enkle laboratorium metoder. Dette er viktig med tanke på kostnader forbundet med bygging av kostbare teststrekninger i felt for å generere og karakterisere støv fra vegslitasje. Småskala slitasjetesting av asfalt i laboratoriet, Prall og Tröger, er metodene som er best egnet til å produsere støv sammenlignet med Pavement testing machine (PTM). Man kan også teste steinmaterialet alene og få noenlunde gode prøver av støv fra piggdekk. Blant steinmaterialtestene er det Los Angeles (LA) metoden som best kan sammenlignes med PTM. Støv produsert med Tröger og Prall er mer sammenlignbart med støv generert i felt siden støvet er produsert fra en asfaltmasse, mens støv produsert med LA, kulemølle (KM) og
micro Deval (MD) bare er fra steinmaterialet. Ingen av disse metodene inkluderer effekten av et bildekk. Resultatene viser at foruten bruk av piggdekk er steinmaterialet som brukes i asfalten av største viktighet for støvet som genereres. Det er derfor viktig å velge steinmateriale med omhu når det skal brukes til vegdekke i urbane strøk. Steinmaterialet påvirker både mengde støv generert og egenskaper til partiklene. Dagens kunnskap viser at jo finere partiklene er, jo høyere er den potensielle helserisikoen. Siden kjørehastigheten påvirker både mengde støv generert og partikkelstørrelsesfordelingen, bør man vurdere redusert kjørehastighet i urbane områder vinterstid for å redusere de potensielle farlige effektene av vegstøv. Dette må balanseres med andre trafikale effekter, som for eksempel kødannelse og trafikkflyt. Amount (gram) 25 2 15 1 5 <.63 mm PM1 45% 54% 53% 5% 42% 38% A B C D E F Aggregate type Figur 4. Mengde finstoff <.63 mm og andel PM1 generert fra forskjellige bergartstyper (gram) med kulemølle Figure 5. SEM bilder av støvpartikler generert av piggdekk (venstre) og sommerdekk (høyre)
Figur 6. SEM bilder av piggdekkstøv
Figur 7. SEM bilder av støv generert av sommerdekk