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Abriebe von Fahrbahnoberflächen
BASt-Bericht V 352
Ingo Düring, Wolfram Schmidt, Ingenieurbüro Lohmeyer GmbH & Co. KG, Dresden
Knut Johannsen, EUROVIA Services GmbH, Bottrop
118 Seiten
Erscheinungsjahr: 2022
Projektnummer: 02.0424
Preis: 19,00 €
Bestellung eines gedruckten Exemplars beim Carl Schünemann Verlag GmbH
Dieser Bericht steht auch kostenfrei im elektronischen BASt-Archiv ELBA zur Verfügung.
Ziel des Projektes war es, systematische Untersuchungen zum Abriebverhalten und damit zur Partikelemission verschiedener Fahrbahnoberflächen durchzuführen, die Ergebnisse zu quantifizieren und eine Empfehlung für die Berücksichtigung abgeleiteter Emissionsfaktoren in den FGSV-Richtlinien RLuS „Richtlinien zur Ermittlung der Luftqualität an Straßen ohne oder mit lockerer Randbebauung“ zu geben. Dazu wurden
- eine umfassende Literaturrecherche und Auswertung zum Thema durchgeführt,
- abriebrelevante Kenngrößen für 27 typische in Deutschland eingesetzte Fahrbahnbeläge bestimmt,
- Laborversuche zum Abriebverhalten von 21 dieser Fahrbahnbeläge durchgeführt,
- Emissionsberechnungen für nicht motorbedingte Partikel (AWAR) mit dem Modell NORTRIP (Non-exhaust road traffic induced particle emission modelling) in seiner Version 3.2 durchgeführt und auch die resultierenden PM10-Straßenabriebemissionsfaktoren ausgewiesen.
diese Berechnungsergebnisse mit AWAR-Emissionsfaktoren nach DÜRING et al. (2011) beziehungsweise HBEFA4.1 verglichen.
die NORTRIP-Berechnungsergebnisse des dort integrierten NOx-Tracermodells mit Immissionsmessungen an der Frankfurter Allee in Berlin und Am Neckartor in Stuttgart verglichen,
- Empfehlungen zur Anwendung von NORTRIP gegeben sowie
- aus den NORTRIP-Berechnungen erzeugte PM10-AWAR- und -Straßenabriebemissionsfaktoren für die Anwendung in RLuS abgeleitet.
Folgende in Deutschland am häufigsten eingesetzte Fahrbahnbeläge wurden untersucht:
- Asphaltbeton,
- Offenporiger Asphalt (OPA),
- Gussasphalt,
- DSH (Dünne Asphaltdeckschicht in Heißbauweise),
- Waschbeton und
- Splittmastix-Asphalt (SMA).
Folgende wesentliche Ergebnisse wurden abgeleitet:
- Quantifizierung der Abriebmaße
Abgesehen von der Art des Reifens (insbesondere der Einsatz von Spikereifen), dem Fahrverhalten (Beschleunigungsanteile) und der Fahrgeschwindigkeit (höhere Geschwindigkeiten führen zu höheren Abriebraten) sind weitere wesentliche Faktoren, die sich auf die Partikelerzeugung aus dem Abrieb der Fahrbahn auswirken,
- die Art/Festigkeit und die Korngröße des in der Fahrbahn verwendeten Gesteinmaterials
- eventuell auch die Art des Bindemittels (polymer modifiziertes Bindemittel scheinen positiv zu wirken)
- eventuell bewirkt eine starke Modifizierung des Bindemittels (z. B. Gummimodifizierung) und die sich dadurch einstellenden dickeren Bindemittelfilme eine Verminderung der PM10-Fahrbahnabriebemissionen. Die Höhe der Reduktion hängt hier wahrscheinlich von der Ausbildung der Oberfläche ab.
Im Rahmen des vorliegenden Projektes wurden die Gesteine auf die Kenngrößen NBM, PSV und LA untersucht. Es konnten keine Korrelationen der Kennwerte aus PSV-, LA- und NBM-Tests untereinander gefunden werden.
Die im Rahmen des vorliegenden Projektes durchgeführten Abriebversuche im Labor zeigten, dass die verwendeten Splittmastixasphalte (SMA) unabhängig von der betrachteten Fraktion die niedrigsten Abriebwerte lieferten. Offenbar ist vor allem die Kombination aus Splittmastixasphalt mit einem modifizierten Bindemittel geeignet, die Entstehung von Abrieb und dessen Emission in die Umgebungsluft effektiv zu reduzieren. Der OPA-Belag mit modifiziertem Binder lieferte ähnliche Abriebwerte.
Mit dem von NORTRIP empfohlenen Abriebmodell wurden für die untersuchten Fahrbahnen aus den oben genanten Kenngrößen Abriebwerte (hpave) berechnet. Diese Werte variieren demnach zwischen 1.5 (SMA 11 mit Rhyolith) und 4.7 (Asphaltbeton 8 mit Grauwacke) und unterscheiden sich damit maximal um einen Faktor 3. Geringe Abriebwerte haben mit 1.8 auch der SMA 8 mit Quarzit und der Asphaltbeton 8 mit Quarzit bzw. Rhyolith. Abriebwerte über 4 haben Beläge mit Diabas, Kalkstein und Grauwacke. Die Waschbetonfahrbahnen haben hpave-Werte zwischen 1.9 (Rhyolith) und 3.9 (Diabas). Es gibt allerdings deutliche Unterschiede im Abriebverhalten der untersuchten Fahrbahnen zwischen den Vorhersagen aus NORTRIP (hpave) und den Abriebversuchen im Labor. Neben dem NBM-Wert scheinen beim Einsatz von Reifen ohne Spikes weitere Parameter eine wichtige Rolle zu spielen, wie das Volumen der groben Gesteinskörnung am Marshallkörper, der Hohlraumgehalt am Marshallkörper, das Volumen des Asphaltmörtels am Marshallkörper, die Mischgutart sowie die Bindemittelart. Deshalb wurde anhand einer Regressionsanalyse ein alternativer (erweiterter) Ansatz zur Beschreibung der Abriebfestigkeit der untersuchten Fahrbahnoberflächen abgeleitet, der diese Kenngrößen berücksichtigt. Für die untersuchten Fahrbahnoberflächen variieren hier die mittleren PM10-Abriebemissionsraten untereinander bis zu einem Faktor von ca. 4.
Wir empfehlen, die Absolutwerte der mit NORTRIP1 berechneten AWAR- und Straßenabriebemissionsfaktoren für hpave = 1.5 als Referenzfall zu verwenden. Der Einfluss der Fahrbahneigenschaften könnte (pragmatisch) zusätzlich durch einen Fahrbahneinflussfaktor FFahrbahn multiplikativ auf die Straßenabriebemissionen des Referenzfalls abgebildet werden. Für Screeningmodelle, wie zum Beispiel RLuS, könnte deshalb folgende zweistufige Klassifizierung als möglicher Ansatz zur Berücksichtigung der Ergebnisse dienen:
- Sieblinie mit Ausfallkörnung oder Einkorn-Gemisch unter Verwendung eines Polymermodifizierten Bitumen: FFahrbahn = 0.4
- andere Beläge (Referenzfall): FFahrbahn = 1.0
Mit diesem Ansatz wurden mit NORTRIP berechnete AWAR- und Straßenabriebemissionsfaktoren in Abhängigkeit von der Straßenabriebklassifizierung den RLuS-Verkehrssituationen zugewiesen.
Für die Fahrbahnhersteller könnte zur Optimierung der Abriebeigenschaften das normierte Regressionsmodell nach EUROVIA (siehe Kapitel 4.4.5) anwenden, welches die konkreten Rezepturen der Fahrbahnbeläge quantitativ bewertet. Zur Absicherung dieser Ergebnisse sind weitere systematische Untersuchungen des Abriebverhaltens, zum Beispiel vergleichende Messungen am Road Simulator mit Stahlradversuchen, erforderlich.
Weiterhin wird empfohlen, die Güte dieses Ansatzes der zweistufigen Klassifizierung des Abriebverhaltens durch Freilandversuche an Autobahnen mit Bestimmung der AWAR-Emissionsfaktoren zu verifizieren.
1 Mit ggü. der Standardversion von NORTRIP modifizierter Betrachtung der Sommer- und Winterreifen.
Abrasion of road surfaces
The aim of the project was to carry out systematic investigations on the abrasion behaviour and thus on the particle emission of different road surfaces, to quantify the results and to make a recommendation for the emission factors in the FGSV guidelines RLuS „Guidelines for determining the air quality on roads without or with few roadside buildings“. Therefore
- a comprehensive literature research and evaluation on the topic was carried out,
- abrasion-relevant parameters for 27 typical road surfaces used in Germany were determined,
- laboratory tests on the abrasion behaviour of 21 of these road surfaces were carried out,
- emission calculations for non-engine-related particles (AWAR) were carried out with the NORTRIP (non-exhaust road traffic induced particle emission modelling) model in version 3.2, the resulting PM10 road abrasion emission factors were displayed.
- a comparison of these calculation results with AWAR emission factors according to DÜRING et al. (2011) and HBEFA 4.1 was carried out,
- as well as the comparison of the NORTRIP calculation results of the integrated NOx tracer model with concentration measurements on Frankfurter Allee in Berlin and Am Neckartor in Stuttgart,
- additionally recommendations for the use of NORTRIP were given and
- PM10 AWAR and road abrasion emission factors (generated from the NORTRIP calculations) were derived for use in RLuS.
The following most frequently used road surfaces in Germany were examined:
- Asphalt concrete,
- Porous asphalt (PA),
- Mastic asphalt DSH (thin asphalt surface layer in hot construction),
- Washed concrete,
- Split mastic asphalt (SMA).
The following main results were derived:
Concerning the quantification of the abrasion dimensions: Apart from the type of tire (in particular the use of studded tires), the driving behaviour (acceleration patterns) and the driving speed (higher speeds lead to higher wear rates), other essential factors affecting the generation of particles from wear on the road surface are
- the type/strength and grain size of the rock material used in the roadway,
- possibly also the type of binder (polymer modified binders seem to have a positive effect).
- A strong modification of the binder (e.g. rubber modification) and the resulting thicker binder films may result in a reduction in PM10 roadway abrasion emissions. The extent of the reduction probably depends on the design of the surface.
As part of the present project, the parameters nordic ball mill (NBM), polish stone value (PSV) and Los Angeles value (LA) for the rock material was measured. No correlation could be found between this values.
The abrasion tests carried out in the laboratory as part of the present project showed that the stone mastic asphalt (SMA) used delivered the lowest abrasion values regardless of the fraction considered. Apparently, the combination of stone mastic asphalt with a modified binding agent is particularly suitable for effectively reducing the formation of abrasion and the emission of the particles into the ambient air. The PA covering with modified binder showed similar abrasion values.
With the abrasion model recommended by NORTRIP, for the above-mentioned parameters abrasion values (hpave) were calculated. The results vary between 1.5 (SMA 11 with rhyolite) and 4.7 (asphalt concrete 8 with graywacke) and thus differ by a maximum of a factor of 3. The SMA 8 with quartzite and asphalt concrete 8 with quartzite or rhyolite also have low abrasion values of 1.8. Abrasion values above 4 have road surfaces with diabase, limestone and graywacke. The washed concrete surfaces have hpave values between 1.9 (rhyolite) and 3.9 (diabase). However, there are clear differences in the abrasion behaviour of the roadways examined between the predictions from NORTRIP (hpave) and the abrasion tests in the laboratory. In addition to the NBM value, other parameters seem to play an important role when using tires without spikes, such as the volume of the coarse aggregate in the Marshall body, the void content in the Marshall body, the volume of the asphalt mortar in the Marshall body, the type of mixture and the type of binder. Therefore, based on a regression analysis, an alternative (extended) approach for describing the abrasion resistance of the examined road surfaces was derived, which takes these parameters into account. For the road surfaces examined, the mean PM10 abrasion emission rates vary from one another up to a factor of approx. 4.
We recommend using the absolute values of the AWAR and road abrasion emission factors calculated with NORTRIP1 for hpave = 1.5 as a reference case. The influence of the roadway properties can (pragmatically) be respected multiplicatively on the road abrasion emissions of the reference case using a roadway influencing factor Froadway. For screening models, such as RLuS, the following two-stage classification could therefore serve as a possible approach for taking the results into account:
- Grading curve with random grain or single grain mixture using a polymer-modified binder: Froadway = 0.4
- other surfaces (reference case): Froadway = 1.0
With this approach, AWAR and road abrasion emission factors calculated with NORTRIP were assigned to the RLuS traffic situations depending on the road abrasion classification.
For the road manufacturer, the standardised regression model according to EUROVIA (see chapter 4.4.5 in the main report) can be used to optimise the abrasion properties; it quantitatively evaluates the concrete formulations of the road surface.
It is recommended to verify the quality of this approach through field tests on motorways with determination of the AWAR emission factors.
1 With vs. the standard version of NORTRIP modified approach for summer and winter tires.