Road Dust from Pavement Wear and Traction Sanding

Vehicles affect the concentrations of ambient airborne particles through exhaust emissions, but particles are also formed in the mechanical processes in the tire-road interface, brakes, and engine. Particles deposited on or in the vicinity of the road may be re-entrained, or resuspended, into air through vehicle-induced turbulence and shearing stress of the tires. A commonly used term for these particles is road dust . The processes affecting road dust emissions are complex and currently not well known. Road dust has been acknowledged as a dominant source of PM10 especially during spring in the sub-arctic urban areas, e.g. in Scandinavia, Finland, North America and Japan. The high proportion of road dust in sub-arctic regions of the world has been linked to the snowy winter conditions that make it necessary to use traction control methods. Traction control methods include dispersion of traction sand, melting of ice with brine solutions, and equipping the tires with either metal studs (studded winter tires), snow chains, or special tire design (friction tires). Several of these methods enhance the formation of mineral particles from pavement wear and/or from traction sand that accumulate in the road environment during winter. When snow and ice melt and surfaces dry out, traffic-induced turbulence makes some of the particles airborne. A general aim of this study was to study processes and factors underlying and affecting the formation and emissions of road dust from paved road surfaces. Special emphasis was placed on studying particle formation and sources during tire road interaction, especially when different applications of traction control, namely traction sanding and/or winter tires were in use. Respirable particles with aerodynamic diameter below 10 micrometers (PM10) have been the main concern, but other size ranges and particle size distributions were also studied. The following specific research questions were addressed: i) How do traction sanding and physical properties of the traction sand aggregate affect formation of road dust? ii) How do studded tires affect the formation of road dust when compared with friction tires? iii) What are the composition and sources of airborne road dust in a road simulator and during a springtime road dust episode in Finland? iv) What is the size distribution of abrasion particles from tire-road interaction? The studies were conducted both in a road simulator and in field conditions. The test results from the road simulator showed that traction sanding increased road dust emissions, and that the effect became more dominant with increasing sand load. A high percentage of fine-grained anti-skid aggregate of overall grading increased the PM10 concentrations. Anti-skid aggregate with poor resistance to fragmentation resulted in higher PM levels compared with the other aggregates, and the effect became more significant with higher aggregate loads. Glaciofluvial aggregates tended to cause higher particle concentrations than crushed rocks with good fragmentation resistance. Comparison of tire types showed that studded tires result in higher formation of PM emissions compared with friction tires. The same trend between the tires was present in the tests with and without anti-skid aggregate. This finding applies to test conditions of the road simulator with negligible resuspension. Source and composition analysis showed that the particles in the road simulator were mainly minerals and originated from both traction sand and pavement aggregates. A clear contribution of particles from anti-skid aggregate to ambient PM and dust deposition was also observed in urban conditions. The road simulator results showed that the interaction between tires, anti-skid aggregate and road surface is important in dust production and the relative contributions of these sources depend on their properties. Traction sand grains are fragmented into smaller particles under the tires, but they also wear the pavement aggregate. Therefore particles from both aggregates are observed. The mass size distribution of traction sand and pavement wear particles was mainly coarse, but fine and submicron particles were also present.

Moottoriajoneuvot päästävät hiukkasia ilmaan pakokaasujen mukana, mutta niitä muodostuu myös mekaanisissa prosesseissa tien pinnan ja renkaan vuorovaikutuksessa, jarruissa ja moottorissa. Lisäksi hiukkaset, jotka ovat laskeutuneet tien pinnalle tai sen lähettyville voivat nousta ilmaan uudelleen ajoneuvojen aiheuttamien ilmavirtojen tai renkaiden nostattamina (resuspensio). Yleistermi näille hiukkasille on katupöly . Katupölyn muodostumiseen ja päästöihin vaikuttavat prosessit ovat monimutkaisia ja tällä hetkellä huonosti tunnettuja. Katupöly muodostaa erityisesti keväisin merkittävän osan keuhkohengitettävistä PM10 hiukkasista maapallon pohjoisilla alueilla kuten Skandinaviassa, Pohjois-Amerikassa ja Japanissa. Korkeat katupölypitoisuuksien on esitetty olevan seurausta lumisista ja jäisistä talviolosuhteista, joiden takia liikenteessä on käytettävä liukkaudentorjuntaa. Liukkaudentorjuntamenetelminä käytetään esimerkiksi talvihiekoitusta ja teiden suolausta. Lisäksi autoissa käytetään joko nastallisia tai nastattomia talvirenkaita (kitkarenkaita), joiden suunnittelussa on erityisesti kiinnitetty huomiota renkaiden pitoon liukkaissa talviolosuhteissa. Useat liukkaudentorjuntamenetelmistä lisäävät mineraalihiukkasten muodostumista tien päällysteen tai hiekoitushiekan kulumatuotteina. Muodostuneet hiukkaset kerääntyvät tieympäristöön talven aikana. Keväällä kun lumi ja jään sulaa ja pinnat kuivuvat, hiukkasia nousee ilmaan merkittäviä määriä mm. liikenteen aiheuttamien ilmavirtauksien nostamina. Yleisenä tavoitteena tutkimuksessa oli selvittää katupölyn muodostumiseen vaikuttavia tekijöitä ja prosesseja päällystetyillä pinnoilla. Erityisenä painopisteenä oli tutkia hiukkasten muodostumista tien pinnan ja renkaan vuorovaikutuksessa, käytettäessä talvirenkaita ja hiekoitusmursketta. Mittausten kohteena olivat keuhkohengitettävät hiukkaset, joiden aerodynaaminen halkaisija on alle 10 mikrometriä (PM10), mutta myös muita hiukkaskokoluokkia tutkittiin. Tutkimuksessa selvitettiin seuraavia kysymyksiä: i) Miten talvihiekoitus ja hiekoitusmateriaalin fysikaaliset ominaisuudet vaikuttivat katupölyn muodostumiseen? ii) Miten nastoitetut talvirenkaat erosivat pölyn muodostumisen osalta nastoittamattomista talvirenkaista (kitkarenkaista)? iii) Mikä oli katupölyn koostumus ja lähteet testiradalla sekä keväisen katupölyepisodin aikana Suomessa? iv) Mikä oli tien ja renkaan vuorovaikutuksessa syntyneiden hiukkasten kokojakauma? Tutkimukset suoritettiin testiradalla ja kaupunkiolosuhteissa. Testiradalla saatujen koetulosten perusteella hiekoitus lisäsi PM10-katupölyn muodostumista ja että päästöt kasvoivat hiekoitusmurskeen määrää lisättäessä. Pölyn muodostumista lisäsivät lisäksi murskeen heikompi iskunkestävyys sekä materiaalin korkea hienoainespitoisuus. Rengastyyppien vertailu koeolosuhteissa osoitti, että pölyä muodostui enemmän nastoitetuilla talvirenkailla kuin nastoittamattomilla, nk. kitkarenkailla. Sama trendi havaittiin myös hiekoitetuissa testeissä. Koeolosuhteissa havaitut hiukkaset olivat pääasiassa mineraaleja ja peräisin päällysteen kiviaineksesta ja/tai hiekoitusmurskeesta. Hiekoitetuissa kokeissa havaittiin nk. hiekkapaperi-ilmiö: hiekoitusmurske hajoaa pienemmiksi partikkeleiksi renkaan alla, mutta syntyneet partikkelit kuluttavat myös päällystettä. Näin ollen pölyssä havaitaan hiukkasia molemmista lähteistä. Myös kaupunkiolosuhteissa talvihiekoituksen havaittiin olevan tärkeä hiukkaslähde. Hiukkasten massakokojakaumassa karkeat hiukkaset muodostavat valtaosan, mutta myös pienhiukkasia (PM2.5) havaittiin.