Road pavements and PM10 : summary of the results of research funded by the Swedish Transport Administration on how the properties of road pavements influence emissions and the properties of wear particles

Slitagepartiklar från vägbeläggningar bidrar till höga partikelhalter i svenska väg- och gatumiljöer. För att få en bild av hur vägbeläggningarnas egenskaper kan påverkas för att minska emissionerna har ett flertal forskningsprojekt utförts under 2000-talet, främst av Väg- och transportforskningsinstitutet (VTI), Stockholm luft- och bullerananlys (SLB-analys) och Institutionen för tillämpad miljövetenskap (ITM) vid Stockholms universitet. På VTI har forskningen främst utförts i laborativ miljö med hjälp av VTI:s provvägsmaskin. SLB-analys och ITM har främst jobbat i fält med luftkvalitetsmätningar och med en mätbil kallad EMMA, som mäter partikelhalterna bakom båda framhjulen. Främst har studierna fokuserat på de slitstarka beläggningar som används på högtrafikerade vägar och gator (ABS), eftersom det normalt är dessa gator och vägar som har problem med höga partikelhalter. Dock har även några tester på ABT genomförts i fält. De beläggningsegenskaper som studerats är de som erfarenhetsmässigt mest påverkar beläggningars totala slitage, det vill säga största stenstorlek och beläggningsstenens egenskaper. Likaså har några alternativa beläggningskonstruktioner studerats. Dessa är porös asfalt, asfalt med gummiinblandad bitumen och betong. Sammantaget visar resultaten att grövre största stenstorlek och lägre kulkvarnsvärde hos stenmaterialet reducerar partikelbildningen. Även om konstruktionen ABT av erfarenhet slits fortare än motsvarande ABS, kunde inga tydliga skillnader dessa beläggningar emellan noteras i fältmätningar. Troligen på grund av att skillnaderna döljs i uppvirvling av damm, som i fält är svårt att skilja från direkt emission. I provvägsmaskinen tenderade asfalt med gummiinblandad bitumen i vissa konstruktioner att ge något lägre partikelemissioner, vilket inte styrktes av fältmätningarna. Porös (tyst) beläggning gav i provvägsmaskinen låga emissioner, men eftersom ingen korrekt referensbeläggning testades bedömdes effekten främst bero på att ett särskilt slitstarkt stenmaterial använts i beläggningen. Mätningar i fält har inte kunnat styrka att porös beläggning ger lägre partikelhalter. Betong har å andra sidan visat sig orsakar lägre emissioner i fältmätningar, även om vissa oklarheter ännu förreligger. Betong har även testats i provvägsmaskinen. Storleksfördelningarna inom PM10 är likartade oavsett vilka beläggningsegenskaper som ändras och dessa partiklars sammansättning präglas helt av stenmaterialets mineralogi. Flera viktiga forskningsfrågor återstår. De direkta emissionernas betydelse i förhållande till uppvirvling och inverkan av olika faktorer (textur, meteorologi, olika källor, avrinning etc) på vägdammsförrådets processer är viktig kunskap för att bättre förstå och kunna modellera emissionerna från vägar. Mer kunskap behövs även om hur partikelemissioner påverkas av olika standardkonstruktioner, alternativa konstruktioner och material, liksom kring hur beläggningars ålder och nedslitning inverkar. Även fördelningen av bidraget till emissionerna från beläggningars olika stenmaterial är intressant, då ballasten oftast är högkvalitativ, medan ortens sten, som används för utfyllnad har betydligt sämre kvalitet. Slutligen kan konstateras att partikelemissionerna är en av flera viktiga egenskaper hos vägbeläggningar. Vid val av beläggning måste även andra hänsyn beaktas, som t.ex. bulleregenskaper, annan miljöpåverkan (inklusive LCA), inverkan på bränsleförbrukning och däckslitage.Wear particles from road pavements contribute to high particle concentrations in Swedish road and street environments. In order to obtain an idea of how the properties of road pavements can be influenced so as to reduce the emissions, several research projects were performed during the last century, mainly by the Swedish Road and Transport Research Institute (VTI), SLB Analysis at the City of Stockholm Environmental and Health Administration, and the Institution of Applied Environmental Research (ITM), Stockholm University. At VTI, the research was mainly carried out in a laboratory environment using the VTI heavy vehicle simulator. SLB Analysis and ITM mostly worked in the field with air quality measurements and with a survey vehicle called EMMA which measures particle concentrations behind the two front wheels. The studies mainly focused on the wear resistant pavements used on roads and streets carrying high traffic (SMA) since it is normally these roads and streets that cause problems due to high particle concentrations. However, some tests on ABT in the field have also been carried out. The pavement properties studied are those which are shown by experience to have the greatest influence on the overall wear of pavements, i.e. the maximum size of coarse aggregate and the properties of the aggregate in the pavement. Some alternative pavement designs have also been studied. These are porous asphalt, asphalt rubber pavements, and cement concrete pavements. Overall, the results show that the lower the maximum size of coarse aggregate and the lower the Nordic abrasion value of the aggregate material, the lower the particle formation. Even though experience shows that an AC design wears more rapidly than a similar SMA, no clear differences could be noted between these pavements in the field measurements, probably because the differences are concealed by the dust stirred up which, in field measurements, is difficult to distinguish from direct emission. In the heavy vehicle simulator, rubber asphalt tended in certain designs to produce slightly lower particle emissions, which was not confirmed by the measurements in the field. Porous (quiet) pavement produced lower emissions in the simulator, but since no correct reference pavement was tested, it was considered that the effect was mainly due to the use of a particularly wear resistant aggregate material in the pavement. Measurements in the field were not able to confirm that porous pavements produce lower particle emissions. Cement concrete, on the other hand, was found to cause lower emissions in field measurements, even though there is still some lack of clarity. Particle size distributions in PM10 are similar regardless of which properties of the pavement are changed, and the composition of these particles is fully governed by the mineralogy of the aggregate material. Several important research questions remain. The significance of the direct emissions in relation to suspended dust and the influence of various factors (texture, meteorology, different sources, drainage etc) on the road dust depot processes is important knowledge for better understanding and modelling of the emissions from roads. More knowledge is also needed on how particle emissions are influenced by different standard designs, alternative designs and materials, as well as by the influence of the age and wear of the pavement. The relative contributions which the different aggregate materials in the pavement make to the emissions are also of interest, since the aggregate is often of high quality, while the local stone which is used as the fill is of considerably lower quality. Finally, it may be stated that particle emissions are one of several important properties of road pavements. In choosing a pavement, other aspects must also be considered, such as noise properties, other environmental effects (inclusive of LCA), the effect on fuel consumption and tyre wear