Noise-reducing properties of pavements using steel slag as aggregate in asphalt mixes

Projekt:

Lågbullerbeläggning med stålslagg på E4 i Huskvarna

Sammanfattning:
Vägbeläggningar i Sverige kan, på grund av dubbdäcksslitage, endast använda hårda och nötningsbeständiga material som ballast i slitlager. Därför är stålslagg det enda alternativet till sten eller krossat berg som har potential att vara tillräckligt hållbart. Laboratorieförsök med stålslaggspartiklar har gjorts av VTI för ett tiotal år sedan med delvis goda resultat och fältförsök med stålslagg i täta asfaltbeläggningar har gjorts på några svenska platser de senaste två decennierna som visat tillräckligt lovande resultat för att motivera fler studier.

När E4:an genom Huskvarna behövde asfaltera om 2017 med ny dränasfalt med dubbla lager uppstod en möjlighet att göra ett försök med att ersätta det naturliga stenmaterialet i toppskiktet med stålslagg, vilket kom att bli upphov till detta forskningsprojekt.

Det ursprungliga huvudsyftet med detta projekt var att konstruera en testsektion av en porös asfaltbeläggning, s k dränasfalt, där stålslagg användes som ballast i slitlagret. Testsektionen skulle vara tillräckligt lång för att möjliggöra lämpliga tester av bullerreduktion och vara lämpligt placerad. Den akustiska och tekniska prestandan skulle studeras under några år i jämförelse med en beläggning av samma slag men med konventionellt stenmaterial.

Under projektets gång beslöts att även inkludera en sammanfattning av resultaten från tidigare tester i Sverige med stålslagg som ballast i täta beläggningar. Då det under projektets gång blev uppenbart att användning av stålslagg som vägmaterial var ett ännu viktigare forskningsområde utomlands beslutade författaren att inkludera även en genomgång av den senaste internationella litteraturen.

Ursprungligen var projektet planerat att utföras under en tidsperiod på tre år (2016-2018). Med laboratorieprovning av material under första året, innebar det att man i bästa fall kunde följa utförandet av det planerade fältprovet under endast två år, vilket är alldeles för kort för att bestämma provbeläggningens beständighet. På grund av avsiktliga förseningar i projektet, när denna rapport skrivs, har provbeläggningen uppnått en ålder av fem år, vilket möjliggör åtminstone en preliminär utvärdering av dess långsiktiga prestanda eftersom det förväntas att den akustiska livslängden för en konventionell porös beläggning av denna typ är cirka sju år under nuvarande förhållanden på den aktuella vägen.

De internationella erfarenheterna av stålslagg i vägarnas slitlager har genomgående varit positiva. Stålslagg kan betraktas som en grön men ganska outnyttjad resurs eftersom den har stor potential att ersätta naturliga stenmaterial och minska miljöpåverkan från krossning av bergmaterial. Vissa länder har enorma lager och deponier av stålslagg från vilka det läcker ut bl a tungmetaller till mark och vattendrag.
När däremot slaggen ingår i asfalt blir urlakningen försumbar. I vissa länder påpekas att de naturliga stenmaterialen av god kvalitet som duger för användning i vägars slitlager håller på att ta slut och att stålslagg kan bli en bra och välbehövlig ersättning.

I den internationella litteraturen, som tycks domineras av länder i östra Asien och Australien, är rapporter om fältexperiment inte lika frekventa som rapporter om laboratoriestudier, och mycket få rapporterar handlar om stålslaggsbeläggningars beständighet. Endast i Singapore och en mindre studie i Spanien har stålslagg använts i porös dränasfalt, och ingen har använt det i dubbellagers dränasfalt av liknande slag som fältförsöket i denna rapport.

Bland många fördelar för stålslagg framför naturliga stenmaterial, nämns hållbarhet, mindre spårbildning och mörk färg. Även beständighet mot polering och nötning av bildäck framhålls som viktiga fördelar. Den största nackdelen är den högre massan som gör transporter från stålverk till beläggningsplatser dyrare. Men eftersom stenmaterial av hög kvalitet blir mer och mer en bristvara, kan även dessa behöva hämtas från avlägsna platser och orsaka långa och dyra transporter. Trots alla positiva omdömen i den internationella litteraturen måste man komma ihåg att för svenska förhållanden är slaggens prestanda gentemot naturliga material mer komplicerad, på grund av våra relativt goda resurser av högkvalitativa stenmaterial och användning av dubbar i vinterdäck; då de senare ju är precis vad som kräver sådana högkvalitativa stenmaterial i Sverige.

Vissa av de svenska stålslaggsbeläggningarna som presenteras i denna rapport har fungerat bra under ganska lång tid under måttliga eller höga trafikvolymer. Den samlade bedömningen av dessa försök (kapitel 10) är ganska positiv. Endast ett av de svenska försöksobjekten har varit en besvikelse. Å andra sidan finns det heller inget som kan betraktas som en stor succé.

Huvudämnet för detta projekt och denna rapport är som nämnts ett test av stålslagg som ballast i det översta lagret av en dubbel dränasfaltsbeläggning lagd sommaren 2017 på E4 genom Huskvarna. Här bör nämnas att det är endast de grövre kornen (över 4 mm) som utgörs av stålslagg. Detta projekt startade 2016, som planerat, med laboratoriestudier som syftar till att skaffa erfarenhet av att designa stålslaggsbeläggningar med högt hålrum för en bra beständighet, särskilt med reduktion av trafikbuller i fokus. Dessa studier utgjorde en bas för det experimentella fältförsöket med start 2017. Den slutliga mixen portionerades och förbereddes dock, och beläggningen utfördes, av vägentreprenören Svevia, eftersom fältförsöket var en del av Svevias kontrakt med Trafikverket för denna del av motorväg E4.

Studieobjektet på E4 i Huskvarna kom att utgöra en begränsad sträcka, lite kortare än 200 m i det långsamgående körfältet (betecknat K1) i södra riktningen. Denna asfalterades samtidigt med dubbeldränbeläggningen i övrigt genom Huskvarna, vilket är en ca 3 km lång vägsträcka mellan Vättern och ett bostadsområde i Huskvarna. Man hittar lätt beläggningen genom dess mycket mörkare yta längs med avfart nr 100 ”Huskvarna Södra”.

Projektets studieobjekt har ett bottenlager som är identiskt med resten av den bullerreducerande sektionen genom Huskvarna, medan det översta lagret fick det grövre stenmaterialet ersatt med stålslagg (av kornstorlekarna 4-11 mm). Bindemedlet är detsamma, dock i en annan proportion och med reservation för att Svevia kan ha adderat något förstärkande material (exakt recept är en företagshemlighet). Stålslaggen är av s k EAF-typ som kommer från Smedjebacken. På detta sätt har det varit möjligt att jämföra stålslaggsektionens prestanda med en längre sektion av dubbel dränasfalt som endast använder stenmaterial i topplagret. Tack vare tidsförlängningen av projektet från de ursprungliga tre åren (2016-2018) har det varit möjligt att studera prestandan hos denna slaggbeläggning jämfört med ett liknande toppskikt med konventionell stenmassa under en femårsperiod, i nuläget. Eftersom beläggningen förväntas ha en akustisk livslängd på sex eller sju år ger detta en bra bild av de långsiktiga egenskaperna hos en sådan stålslaggsbeläggning.

Studien i Huskvarna har verkligen varit holistisk eftersom många funktionella egenskaper har studerats. Bullerreduktionen jämfört med den konventionella dränasfalten var den initiala huvudfrågan i projektet, men även rullmotstånd, många geometriska egenskaper relaterade till slitage, permeabilitet och friktion har studerats eller kontrollerats vid vissa tillfällen.

Bullerreduktionen har uppmätts varje år med hjälp av den s k CPX-metoden, som är utformad för att mäta just bulleregenskaper hos vägbeläggningar på ett reproducerbart sätt, enligt internationella standarder (ISO 11819-2, ISO/TS 11819-3 och ISO/TS 13471-1); alla utvecklade för sådana ändamål. Mätningen görs med en särskild mätvagn som bogseras efter en personbil och där ett provdäck i mätvagnens mitt har två mikrofoner monterade 20-25 cm från däckets kontaktyta mot vägen. Dessa skyddas av en huv som skärmar av icke önskvärda oljud utifrån så att mikrofonerna mäter endast ljudet från däck/vägkontakten. Två sådana standardiserade provdäck används: ett som representerar personbilars känslighet för vägytans inverkan på bullret, och ett annat som representerar motsvarande för lastbilsdäck. För just denna typ av beläggning ger dessa provdäck ungefär samma buller, så slutresultatet utgörs av ett medelvärde av dessa. Mätningar har skett vid 50 och 80 km/h men där den senare är den mest relevanta och som ligger närmast trafikens verkliga hastighet.

Stålslaggbeläggningen på E4 i Huskvarna har fungerat bra hittills, trots att den lagts i det långsamma körfältet (K1) där det är exceptionellt hög trafik med långa lastbilskombinationer, eftersom E4 är den huvudsakliga transportkorridoren mellan södra Sverige och Stockholmsområdet, och vidare norrut längs kusten. Till exempel går mycket av godstrafiken mellan Finland/Estland och Västeuropa denna väg.

Bullerreduktionen hittills har varit lika bra eller bättre för slaggdelen som för den konventionella dränasfaltbeläggningen och har förändrats med tiden mindre än den konventionella beläggningen. Strax efter anläggningen var bullerreduktionen ungefär 7 dB, vilket sedan långsamt har sjunkit till nuvarande ungefär 6 dB (hösten 2022). Om denna trend fortsätter verkar slaggen ha en akustisk fördel gentemot den ordinarie dränasfaltsbeläggningen. När slaggbeläggningen är ny och har betydande permeabilitet och ljudabsorption, reduceras bullret främst av ljudabsorptionen i porerna i kombination med lägre s k luftpumpning i däck/vägkontakten på grund av luftdränering i gränssnittet däck/väg. Med tiden byts dessa bullerreducerande mekanismer ut med, och balanseras, av den lägre vibrationsexciteringen till däcket genom den mindre grova texturen i vägytan.

En stor fördel med stålslaggssträckan i Huskvarna är den minskade makrotexturen som har uppmätts årligen. Liknande effekter har märkts i andra stålslaggsförsök. Den minskade makrotexturen från anläggningsåret gör att rullmotståndet på stålslaggssträckan år 2022 är lägre än på den ordinarie sträckan med upp till 6 %, vilket minskar trafikens energiförbrukning och samtidigt minskar CO2-utsläppen. Den senare förbättringen är en viktig faktor i den totala utvärderingen av försöket, varvid kan nämnas även att vägens jämnhet är bättre med stålslagg än med konventionellt stenmaterial, vilket innebär bättre komfort för trafikanterna samt mindre risk för att markvibrationer från den tunga trafiken ska skapa några problem.

Dock har spårdjupet på stålslaggsträckan ökat med ungefär 2 mm per år, vilket kan jämföras med den ordinarie sträckan som har en spårdjupsökning med ca 1,6 mm per år. Det är ingen stor skillnad och inte heller någon alarmerande hög förslitning utan ganska liknande vanliga beläggningar av typ ABS 16 som exponeras för samma trafik. Det är oklart vad som orsakar förslitningen; normalt beror spårdjupet på spår av den tunga trafiken i kombination med dubbdäcksslitage, men i detta fall kan även någon annan mekanism vara inblandad.

Användningen av stålslagg i beläggningar har ytterligare en positiv effekt på CO2-balansen: genom att koldioxidutsläppen från stål och slaggproduktion redan har belastat stålproduktionen. Därmed bidrar användningen av slagg som ersättning för stenballast till minskade koldioxidutsläpp genom att den ersätter krossning och utvinning av sten.

Baserat på resultaten från denna experimentella studie och genomgång av andra erfarenheter presenteras följande rekommendationer:

Författaren upptäckte en sträcka med stålslagg (liknande en beläggning av typ ABS 11) som finns vid Resecentrum i centrala Linköping och gjorde vissa mätningar på denna i projektet. Resultatet indikerar att denna täta slaggbeläggning med max ballaststorlek på 11 mm presterar bättre än beläggningar av typ SMA 11 med vanligt stenmaterial, genom att spårdjupsökning per år är betydligt mindre. Den presterar potentiellt lika bra som man kan förvänta sig av en SMA 16. Med en sådan ersättning för SMA 16 skulle man vinna betydligt lägre rullmotstånd genom lägre makrotextur, vilket minskar koldioxid- och bullerutsläpp proportionellt i en stads- eller förortssituation. Det skulle också spara konsumtionen av naturliga stenmaterial. Därför bör detta beläggningsalternativ övervägas oftare.

De övergripande resultaten tyder på att användningen av stålslagg som ballast i vägbeläggningar har fördelar som motiverar ökad forskning och utveckling av denna restprodukt. Stålslagg är inte en enhetlig produkt och det borde vara möjligt att hitta den bästa typen för användning i svenska beläggningar som kräver högsta möjliga nötningsmotstånd på grund av slitage på dubbdäck. Det är troligt att det också kan finnas sätt att förbättra denna typ av vägbeläggning. Dimensioneringen av asfaltblandningen och att skräddarsy bästa möjliga bindemedel för detta material är en utmaning som behöver studeras, eftersom försöket i detta projekt sannolikt inte kom att använda den optimala designen.

Att uppnå ett hålrumsinnehåll i porösa beläggningar med stålslagg som ballast som är lika högt som vid användning av stenmaterial är svårt, bl a på grund av för bristande erfarenhet av dimensionering av asfaltblandningar med den mycket tyngre stålslaggen. Det rekommenderas att göra ytterligare försök att utforma en blandning med stålslagg som når hålrumshalter på minst 25 %. Med en sådan blandning finns det en potential för betydligt bättre ljudreducering över livscykeln än för den nu framgångsrika dubbla dränasfalten i Huskvarna; särskilt att tillåta en längre livslängd tills tröskeln för minsta ljudreducering nås.

Författaren predikterar att stålslaggsbeläggningen på provsträckan i Huskvarna kommer att ge ca 5 dB i bullerreduktion fram till åldern 7 år, dvs år 2024. Den kanske inte behöver läggas om ens efter denna tid. Men mycket beror på om stensläppen kommer att öka de närmaste åren. I vart fall bör beläggningens funktion följas upp noga så länge den finns kvar. Den har hittills ökat våra kunskaper avsevärt om hur användbar återvinningen av detta material är i vägbeläggningar, bl a för att åstadkomma bullerreduktion och reduktion av rullmotstånd, dvs trafikens energiförbrukning och koldioxidutsläpp.

Litteraturöversikten lyckades inte finna någon europeisk standard eller ISO-standard som handlar om stålslagg som ballast i vägbeläggningar. Däremot finns det ett par ASTM-standarder som utkommit nyligen som tillsammans med riktlinjer från vissa nationella dokument som redovisas kan utgöra en bas för ett nytt europeiskt eller internationellt arbete för standardisering inom detta specialområde, vilket rekommenderas här.

Författaren rekommenderar att det just startade försöket i Danmark med att använda partiklar av krossat glas som ballast i slitlager, att helt eller delvis ersätta stenmaterial, följs upp för att kontrollera om detta avfallsmaterial kommer att visa sig vara lika användbart som stålslagg i vägbeläggningar. Man kan ha funderingar på om glaset kan poleras för lätt eller att det krossas av svenska dubbdäck, men det är värt att se hur den danska beläggningen presterar de närmaste 10 åren.

Det föreslås att Trafikverket och stålindustrin samarbetar för att få fram en optimal slaggprodukt för vägbeläggningsändamål och studera om den kanske kan förbättras ytterligare genom urval, förbearbetning eller annan förädling.

Slutligen föreslår författaren att stålslagg används i mycket större utsträckning än idag i vägars slitlager, helst med samtidig FoU inom området som stöd. När man bedömer den eventuellt extra kostnaden för transporter av den tyngre stålslaggsballasten bör man dels överväga hur den ställer sig till transportkostnaderna för lika nötningsbeständigt stenmaterial (som också kan behöva transporteras lång väg) tillsammans med den miljöfördel som man får av mindre rullmotstånd för trafiken och eventuell bullerreduktion.


Länk till publikation i fulltext (pdf-fil, 10 220,4 kB. Öppnas i nytt fönster)

Författare: Ulf Sandberg
Utgivare: VTI
Utgivningsdatum: 2023-03-16
Diarienummer: TRV 2015/56557
Antal sidor: 103
Språk: Engelska
Kontaktperson: Erik Oscarsson, IVtu2 och Robert Karlsson, IVtu4