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Stoffeinträge in den Straßenseitenraum - Reifenabrieb

BASt-Bericht V 188

Birgitt Kocher, Bundesanstalt für Straßenwesen

31 Seiten
Erscheinungsjahr: 2010
Preis: 5,00 €

Bestellung eines gedruckten Exemplars beim Carl Schünemann Verlag GmbH

Der Reifenabrieb ist eine der mengenmäßig größten Quellen für Staubemissionen des Straßenverkehrs. Das betrifft vor allem sedimentierbaren Staub, aber auch Feinstaub, diesen in sehr viel geringeren Mengen. Menge, Qualität und Herkunft der Stoffeinträge in den Straßenseitenraum sollten genauer bestimmt werden, um Ansätze für Minderungsmaßnahmen zu zeigen. Für die entstehende Menge an Reifenabrieb lagen verschiedene Schätzungen vor, über die Schadstoffgehalte gab es bisher nur wenige Informationen, insbesondere zu anderen Metallen als Zink.

Es wurden aufgrund von Markenverteilung, Größen, Einsatzbereich und Zustand 65 PKW-Reifen der Jahre 1980 bis 2003 ausgewählt. Die Gewinnung der Reifenproben erfolgte mit einer Reifenschälmaschine. In Anlehnung an eine Methode zum Aufschluss von Bitumen wurde von der BASt eine stark oxidierende rückstandsfreie Aufschlussmethode entwickelt. Die Elemente Al, As, Cr, Cu, Fe, Mo, Na, Ni, Pb, Sb, V und Zn wurden aus der Aufschlusslösung mittels ICP-OES quantitativ bestimmt, Cd mit Graphitrohr-AAS. Die Massenanteile der Hauptkomponenten der Proben wurden mit einer thermogravimetrischen Analyse (TGA) nach DIN 51006 bestimmt.

Die Auswertung ergibt, dass wie vermutet Zink in teilweise sehr hohen Konzentrationen eingesetzt wird, aber auch, dass Cadmium und Blei im Vergleich zum verbreiteten Elementverhältnis Cd/Zn und Pb/Zn in Reifenmaterial mit geringeren Anteilen vorkommen. Dementsprechend sind die hier erstmals ermittelten emittierten Cadmiumfrachten aus Reifenabrieb geringer als zu erwarten war. Kupfer- und Bleiemissionen aus Reifenmaterial wurden nach Literatur- und Herstellerangaben als problematisch eingeschätzt. Dies kann anhand der vorliegenden Messungen und Abschätzung der emittierten Mengen nicht bestätigt werden. Ebenso wurden keine bedenklichen Emissionen der anderen untersuchten Elemente gefunden.

Der zeitliche Verlauf der Konzentrationen von Zink und Cadmium in den Reifenlaufflächen bildet mit einer seit den 1980er Jahren leicht sinkenden Tendenz die Bemühungen um geringere Zink-emissionen ab. Im Zeitverlauf sinkende Rußanteile und steigende Glührückstände zeichnen den zunehmenden Einsatz neuer Füllermaterialien wie Silica nach.

Auf Basis der Gesamtabriebmenge von 111 420 t/a in Deutschland kann die Freisetzung von ca. 1 530 Tonnen leichtflüchtiger Substanzen und 22 000 Tonnen flüchtiger Substanzen pro Jahr abgeschätzt werden. Den größten Massenanteil machen die Gummi- und Polymeranteile mit etwa 43 000 Tonnen und Ruß mit etwa 38 000 Tonnen aus. Die emittierte Metallmenge von 1375 t/a besteht hauptsächlich aus Zink. Die hier abgeschätzte Zinkemission von 1205 t/a und Cadmiumemission von 180 kg/a aus sedimentierbaren Stäuben basiert auf der ermittelten Reifenabriebmasse von 111 420 t/a. Diese Masse beinhaltet LKW- und PKW-Abrieb, dieser beträgt jedoch nur etwa die Hälfte. Die wenigen Angaben zur Zusammensetzung des Reifenabriebs von LKW-Reifen lassen um 60-80% höhere Konzentrationen an Blei und Zink erwarten, so dass die Abschätzung an der Untergrenze der tatsächlichen Emissionen liegt.

Die Rolle der Ruß- und Gummibestandteile der Abriebe als organischer Bestandteil der Straßenrandböden sollte näher untersucht werden. Es sollte vor dem Hintergrund der EU-Wasserrahmenrichtlinie geklärt werden, ob Bankette und straßennahe Böden sowie die im Straßenbauregelwerk vorgesehenen Entwässerungseinrichtungen auch für bisher wenig untersuchte Stoffe eine ausreichende Reinigungsfunktion haben.

Input of Tyre Abrasion Particles into Roadside Soils

Worn-off tyre particles are one of the main sources of dust emissions caused by road traffic. Estimations of the annual emission in Germany average about t/a, most of it sedimentable dust (103 000 t/a), while only a small part is estimated to be airborne dust. Most of the dust forms deposits on the road surface and near the road. Road runoff, spray water and airborne transport lead to accumulation of this dust on the grassy road bank and the soils near the road. The contaminant content of the tyre wear particles is not well known and there are few data other than those on zinc and cadmium content.

In this investigation, material was taken from the tyre tread of 65 car tyres dating from the 1980s to 2005, including a number of common brands and a broad range of applications. The samples were digested completely using a strongly oxidising digestion method for bitumen (IFTA 1998) adapted by our laboratory. The resulting solution is tested for the concentrations of Al, As, Cr, Cu, Fe, Mo, Na, Ni, Pb, Sb, V and Zn, using ICP-OES, as well as for Cd, using graphite-tube AAS. A thermogravimetrical analysis (TGA, DIN 51006) was performed, giving proportions of total organic content, black carbon and ignition residues.

The results show that zinc is added to tyre treads, sometimes in high concentrations, but they also show that cadmium and lead occur in quite low concentrations compared to the Cd/Zn and Pb/Zn ratios common in natural sources. According to the literature and manufacturer information, the emission of copper and lead from tyres had been expected to be a relevant source for these metals in diffuse emissions. Based on the measurements and an estimation of the emitted mass of the two elements, this expectation could not be con-firmed. A critical content or emissions of the other elements could not be found.

The chronological sequence of the zinc and cadmium concentrations in tyre treads shows slightly decreasing values since the 1980s and represents the producer’s efforts to lower zinc emissions. Decreasing proportions of black carbon and increasing ignition residues reflect the increasing use of new filler materials like silica in tyres. Based on the estimated total emission mass of 111 420 t/a of tyre abrasion particles in Germany, about 1 530 tonnes of highly volatile and 22 000 tonnes of volatile substances are emitted per year. The major component of tyre emissions are rubber and polymer substances (43 000 tonnes) and black carbon (38 000 tonnes). The amount of metals emitted is about 1375 t/a, consisting mainly of zinc.

The estimated emission masses of 1205 t/a (Zn) and 180 kg/a (Cd) in sedimentable dust are based on the total amount of tyre abrasion in Germany. This mass includes abrasion from car and truck tyres. The abrasion from car tyres adds up to only half of this amount, it est about 65 000 t/a. The scarcity of information about the composition of truck tyres leads to the expectation of 60-80% higher concentrations of lead and zinc. Thus the data proba-bly represent the lower limit of total emissions in Germany. Recent studies show the good sorption properties of this particular fraction in road runoff. The role of the rubber and black carbon components of tyre wear as part of the organic matter of the particular fraction in road runoff and in roadside soils, as well as its efficiency for contaminant retention should be investigated in more detail. As far as the EU water framework directive is concerned, the efficiency of road banks and drainage facilities for contaminant retention should be verified.

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