EP-7: Occupational health

• Unité de recherche: OFROU RPT
• Numéro de projet: VSS2010/547
• Titre du projet anglais: EP-7: Occupational health

Mots-clé (Allemand)

Arbeitshygiene, Emissionen, PAK, Niedertemperaturasphalt, on-site Messung

Mots-clé (Anglais)

occupational health, emission, PAH, warm asphalt mix, on-site measurement

Description succincte (Allemand)

Bei Niedertemperaturasphalten wird aufgrund der tieferen Einbautemperaturen eine Reduktion der Emissionen beim Einbau erwartet. Dies ist von grosser Bedeutung für die Arbeitshygiene und soll deshalb in diesem Einzelprojekt durch Messungen verifiziert werden. Dafür ist es nicht zielführend, nur die Arbeitsbelastung (Exposition) der Strassenarbeiter während des Einbaus der drei Teststrecken (fil rouge) zu bestimmen, da diese stark von den meteorologischen Bedingungen (Wind, Temperatur, etc.) abhängt. Deshalb wird zusätzlich zur Exposition auch die Gesamtemission bestimmt. Als weitere Ergänzung werden Laborversuche unter vergleichbaren und reproduzierbaren Bedingungen durchgeführt. Bei allen Feld- und Laborversuchen wird als Referenz ein Heissasphalt miteinbezogen. Zur Charakterisierung und Beurteilung der Emission und der Exposition werden folgende Parameter bestimmt: Gesamtpartikelmasse (TPM), Lösliche Partikelmasse (SPM) und Polyzyklische Aromatische Kohlenwasserstoffe (PAK). In einzelnen Proben werden mittels GC-MS die Gesamtkohlenwasserstoffe (TVOC), d.h. eine Vielzahl organischer Verbindungen (Aromaten, Aliphaten, Cykloalkane, Terpene, Alkohole, Säuren, Aldehyde, Ketone, etc.) analysiert, welche ein möglichst detailliertes Bild über das bisher schlecht charakterisierte Emissionsverhalten der verschiedenen Beläge zu erhalten.

Description succincte (Anglais)

Warm asphalt mix is expected to produce lower emissions during road pavement. This is highly relevant for work place hygiene and will thus be verified by this research project. Unfortunately, exposition measurements using personal samplers during the three test pavements (fil rouge) are not sufficient, because the results would be strongly influenced by the corresponding meteorological conditions (wind, temperature, etc.). Therefore, additional measurements of total emissions for the key parameters are planned, which are much less dependent on meteorology. Furthermore, this project includes a series of laboratory experiments which will elucidate differences in emission behaviour between the warm mix asphalts in a more comparable and reproducible setup. All laboratory and field studies will include a hot mix asphalt as reference. The characterization and assessment of both exposition and total emissions will be based on the following parameters: total particulate matter (TPM), soluble particulate matter (SPM) and polycyclic aromatic compounds (PAH). Selected samples will also be analyzed for total volatile compounds (TVOC) by GC-MS, which provides quantitative results on a large number of relevant organic substances, thus yielding a detailed profile of the yet badly characterized emissions by warm asphalt mix.

Description du projet (Allemand)

Emissionen, die beim Einbau von bitumenhaltigen Strassenbelägen entstehen, gefährden möglicherweise die Arbeiter und sind deshalb seit längerer Zeit Gegenstand von Untersuchungen. Insbesondere in der Gegenwart von Teer aus Recyclingbelägen entstehen Dämpfe, die toxische Substanzen wie Poylzyklische Aromatische Kohlenwasserstoffe (PAK) enthalten. Eine Forschungsarbeit der Empa konnte allerdings zeigen, dass die Emissionen bei normkonformen Einbaubedingungen innerhalb der gesetzlichen Grenzen liegen [hug1]. Trotzdem ist eine Reduktion der Emissionen wünschenswert, weil für krebserregende Substanzen unabhängig von ihrer Konzentration ein Minimierungsgebot besteht [mak]. Da die Einbautemperatur der grösste Einflussfaktor auf die Emissionen darstellt, wird von den neuartigen Niedertemperaturbelägen eine Verbesserung der Arbeitsbedingungen erhofft. Dieses Teilprojekt untersucht deshalb die Emissionen von verschiedenen Niedertemperaturasphalten im Vergleich zu konventionellem Heissmischgut. Im Vordergrund stehen dabei arbeitshygienische Aspekte, hauptsächlich die Belastung der Bauarbeiter während des Belagseinbaus, denn diesbezüglich sind die Herstellung im Mischwerk und der Transport unter schweizerischen Verhältnissen vernachlässigbar.

Wie im Rahmen des Forschungsauftrages VSS 2000-453 [hug1] gezeigt wurde, sind vergleichende Feldmessungen äusserst anspruchsvoll, weil Konzentrationsmessungen der relevanten Substanzen sehr starken Schwankungen unterworfen sind. Dies ist insbesondere auf die Variabilität der meteorologischen Bedingungen und der daraus resultierenden unterschiedlich raschen Verdünnung der Schadstoffe zurückzuführen. Aus konzeptuellen, organisatorischen und finanziellen Gründen kann dem nicht durch eine grosse Anzahl von Feldmessungen begegnet werden. Das vorliegende Projekt basiert deshalb auf drei Säulen, welche eine verlässliche Interpretation erlauben sollen:

· Während der Feldmessungen werden - zusätzlich zu arbeitshygienischen Proben - die Gesamtemissionen (Masse pro Fläche Strassenbelag) der relevanten Substanzen bestimmt. Dieser Parameter ist viel weniger stark von der Meteorologie beeinflusst als die Konzentration.

· Zusätzlich zu den Feldmessungen werden Labormessungen unter kontrollierten Bedingungen vorgeschlagen, um eine präzisere Aussage über die Unterschiede und Einflussparameter der Emissionen verschiedener Niedertemperaturasphalte zu erhalten.

Als Teil der Methodenentwicklung wird ein Feldversuch mit einem konventionellen Heissmischbelag durchgeführt. Dieser ist in der Ausschreibung nicht explizit vorgesehen, liefert jedoch direkte Vergleichsdaten zu den Messungen mit den fil-rouge Belägen.

Connaissances attendues / utilisation / bénéficiaire (Allemand)

Nutzniesser dieses Einzelprojektes sind primär die Arbeiter im Strassenbau, die bitumenhaltige Strassenbeläge einbauen. Durch die Reduktion der Asphaltemissionen kann ihr Arbeitsklima verbessert werden, was sich positiv auf die Gesundheit auswirken wird. Verminderte Emissionen bedeuten in der Regel auch geringere Geruchsbelästigung, wovon auch die Anwohner und Passanten der Baustelle profitieren können.

Méthodes (Allemand)

Feldmessungen:

Es werden 4 Feldkampagnen durchgeführt: 1 Vorversuch mit Heissasphalt und 3 Versuche mit Niedertemperaturasphalt (fil-rouge, RS-6). Während dieser Feldmessungen sollen im wesentlichen zwei Werte bestimmt werden:

· Emissionen (Massenstrom) während des Einbaus

· Konzentrationen, denen die Arbeiter ausgesetzt sind

Die Emissionen sind wichtig, weil diese, im Gegensatz zu den Konzentrationen, nur wenig von den meteorologischen Verhältnissen abhängen und deshalb zwischen den fil-rouge Versuchen eher verglichen werden können. Messtechnisch ist es jedoch anspruchsvoll, solche diffusen Emissionen zu bestimmen weil - anders als bei einer geführten Quelle - der Volumenstrom nicht bekannt ist. Eine robuste Methode zur Messung eines Massenstroms beruht auf der Verwendung eines Tracergases [vdi]. Dabei werden drei Varianten unterschieden: konstante Zudosierung, konstante Konzentration und die Abklingmethode. Für den kurzen Einbauprozess kommt nur die konstante Konzentration in Frage. Dabei wird eine gleichbleibende Menge Tracergas in einer Art zudosiert, welche möglichst gut die emittierende Quelle abbildet. Falls sich das Tracergas, z.B. Schwefelhexafluorid (SF₆), gleich verhält wie die zu bestimmende Substanz, z.B. Benzo(a)pyren (BaP), dann gilt an jedem Punkt in der Umgebung:

und daraus das gesuchte

wobei c jeweils die Konzentration bezeichnet und den Massenstrom.

Bei der vorgesehenen Anwendung dieser Methode ergeben sich zwei offensichtliche Fragen:
1. Wie kann die Emissionsquelle durch das Tracergas abgebildet werden?
2. Verhält sich der Tracer wie die Zielsubstanz (z.B. BaP)?

Bei der Abbildung der Quelle durch den Tracer kann auf unsere Untersuchungen mit teerhaltigem Recyclingmaterial zurückgegriffen werden [hug2, hug3, hug4]. Dabei wurde gezeigt, dass die Emissionen im Bereich der Einbaubohle dominieren, und dass die Emissionen bei der Vorratswanne grösser sind als von der frischen Belagsoberfläche. Grob kann deshalb davon ausgegangen werden, dass die relativen Anteile der drei Hauptquellen 80% (Bohle), 15% (Wanne) und 5% (Oberfläche) betragen. Diese Schätzung braucht nicht sehr genau zu sein, denn wegen der Durchmischung der Gase bis zum Punkt der Probenahme ist das Messkonzept diesbezüglich nicht sehr empfindlich.

Die Annahme, dass sich der Tracer gleich verhält wie die Zielsubstanz (BaP) gilt streng genommen nicht, denn ein wesentlicher Teil der emittierten Substanzen ist an Feinpartikel gebunden, welche sich nicht wie ein Gas verhalten. Allerdings ist die Sinkgeschwindigkeit von Partikeln < 10 µm so klein, dass sie sich im Bereich der Baustelle nur wenig sedimentieren [hind].

Bei den geplanten Feldversuchen werden deshalb auf dem Fertiger und auf einer Walze Gasflaschen mit kritischen Düsen platziert, aus denen kontinuierlich eine sehr kleine Menge SF₆ ausströmt. Dieses simuliert die Emissionsquelle. Während des Einbaus werden an zwei Punkten - ca. 1.5 m oberhalb und ca. 25 m im Abwind des Fertigers Proben genommen. Deren Analyse umfasst Polycyclische Aromatische Kohlenwasserstoffe (PAK), Gesamtpartikelmasse (TPM), lösliche Partikelmasse (SPM), Gesamtkohlenwasserstoffe (TVOC) und SF₆ genommen. Die zur Verfügung stehende Analytik für SF₆ ist äusserst empfindlich, weshalb nur unbedenkliche Mengen dieses Gases verwendet werden. Die Werte für PAK, TPM und SPM dienen zum Vergleich mit den Grenzwerten bezüglich Arbeitshygiene und der Umweltschutzgesetzgebung. Die Analyse der TVOC führt etwas weiter. Sie umfasst eine Vielzahl organischer Verbindungen (Aromaten, Aliphaten, Cykloalkane, Terpene, Alkohole, Säuren, Aldehyde, Ketone, etc.), welche ein möglichst detailliertes Bild über das Emissionsverhalten der verschiedenen Beläge ergeben sollen, da dieses bisher nur schlecht charakterisiert ist.

Um die arbeitshygienische Belastung der Arbeiter zu bestimmen werden diese mit kleinen Pumpen (Personal Air Sampler) ausgestattet.

(siehe link unten.pdf)

 

Labormessungen:

Im Forschungsprojekt VSS 2000-453 [hug1] wurden die Emissionen im Labor am Bindemittel bestimmt. Dies ist in diesem Fall nicht bei allen Varianten möglich, da bei einigen Niedertemperaturasphalten nicht nur das Bindemittel massgebend ist, sondern das ganze System Mischgut, wie beispielsweise bei der Variante 4 mit WAM-foam, wo das Bitumen mit Wasser zu Schaumbitumen aufgeschäumt wird. Deshalb werden die Emissionsmessungen im Labor direkt am Mischgut in einem geschlossenen Labormischer durchgeführt. Es werden die gleichen Parameter wie bei den Feldmessungen beprobt, das heisst TPM, TSM, TVOC und PAK. Zusätzliche werden die Gesamtemissionen mit einem FID in Abhängigkeit der Zeit aufgezeichnet und daraus das Emissionspotential bestimmt [gau2]. Da gewisse Mischguttypen nicht im Labor hergestellt werden können, wird in diesen Fällen das Mischgut verwendet, das für den Einbau der Versuchsstrecken hergegestellt wird. Die Mischgutproben werden in zwei Chargen aufgeteilt, die im geschlossenen Mischer bei zwei unterschiedlichen Temperaturen leicht gemischt und beprobt werden. Das Mischen entspricht näherungsweise dem Verteilen des Mischgutes durch die Schnecke bei der Einbaubohle während des Einbaus und stellt somit die möglichen Maximalemissionen dar.

Analytik:

a) Probenahme:

Die PAK werden durch Verwendung von Membranfiltern und nachgeschaltete Adsorptionsröhrchen (Orbo-32) erfasst. Die Probenahme für die flüchtigen organischen Stoffe (TVOC) erfolgt auf Tenax TA [eca]. Für TPM und SPM wird ein Membranfilter verwendet.

 

b) Analytik

Die PAK (mindestens 16 PAK gemäss EPA Liste) werden nach Desorption mittels GC-MS (NIOSH 5515) bestimmt. Die Quantifizierung von TPM erfolgt nach Äquilibrierung bei 50 % RH und 20 °C gravimetrisch. Der lösliche Anteil (SPM) wird wegen der Kanzerogenität von Benzol mit einem anderen Lösungsmittel (Cyclohexan oder Toluol) nach NIOSH 5023 bestimmt. Die Messung der TVOC erfolgt nach CS2 Extraktion mittels GC-FID / ECD [eca].

Übersicht Messparameter:

	TPM	SPM	BaP	PAK	TVOC
Feldmessungen Arbeiter	X	X	X
Feldmessungen Emissionen	X	X		X	X
Laborversuche	X	X		X	X

 

Documents annexés

• Link.pdf [PDF] 138 kB

Equipements spéciaux (Allemand)

· Geschlossener Labormischer mit Installation für die Beprobung und on-line Messung der Emissionen

Speziell entwickelter Analysator (GC-ECD), welcher die Bestimmung der vorgesehenen Tracergase (SF₆ oder SF₅CF₃) im sehr tiefen Konzentrationsbereich (Nachweisgrenze 1 ppt) erlaubt.

Etat de la recherche (Allemand)

Der allgemeine Forschungsstand von Niedertemperaturasphalt wurde im Bericht des Initialprojektes eingehend dokumentiert [buec]. Spezifisch im Bereich Arbeitshygiene von bitumenhaltigen Materialien sind in den letzten Jahren umfangreiche Untersuchungen in Deutschland durchgeführt worden. Sie untersuchten die Toxizität von Bitumendämpfen in Tierversuchen [lang], die Exposition am Arbeitsplätzen in Deutschland [rühl] und insbesondere die spezielle Gefährdung von Gussasphalt-Arbeitern [raul, ruml]. Emissionen von Niedertemperaturasphalten wurden erst in den letzten drei Jahre untersucht, hauptsächlich durch die Gruppe von de La Roche am LCPC in Frankreich. Sie untersuchte das Emissionsverhalten von verschiedenen LEA-Typen (Low Energy Asphalt) im Vergleich mit Heissmischgut [gau1, gau2]. Vergleiche von verschiedenen Niedertemperaturverfahren wurden bisher weder im Labor noch in Feldversuchen durchgeführt.

Die Empa hat langjährige Erfahrungen in Bereich der Emissions- und Immissionsmessungen insbesondere beim Messen und Monitoring von organischen und anorganischen Verbindungen, aber auch von Feinpartikeln. Dieses Knowhow konnte bei der Durchführung des VSS-Forschungsprojektes " Zusammenhang zwischen PAK-Gehalt in teerhaltigem Recyclinggranulat und in den emittierten Dämpfen beim Wiedereinbau " erfolgereich auch im Bereich Strassenbau eingesetzt werden [hug1].

Objectifs du projet (Allemand)

· Darstellung des heutigen Kenntnisstands bezüglich Emissionen beim Einbau von Niedertemperaturasphalt.

· Bestimmung der Emissionen und der Arbeitsplatzbelastung beim Einbau von 3 Versuchstrecken (fil rouge) mit Niedertemperaturasphalt.

· Laboruntersuchungen zum Emissionsverhalten von Niedertemperaturasphalt (fil rouge) und Heissmischgutasphalt (Referenz).

· Vergleich der verschiedenen Belagstypen und arbeitshygienische Beurteilung

Empfehlungen für die Verwendung von Niedertemperaturasphalt aus Sicht der Emissionen und der Arbeitshygiene.

Objectifs du projet (Anglais)

· review of the current state of knowledge

· quantification of emissions and work place concentrations during construction of the 3 test pavements (fil rouge) with warm asphalt mix.

· emission measurements for 3 test pavements (fil rouge) with warm asphalt mix and one reference hot mix asphalt in a laboratory setup.

· comparison of the different pavement types under consideration of the occupational health

recommendations for the use of warm asphalt mix with respect to emissions and work place hygiene.

Plan de recherche (Allemand)

Dokument 1.pdf: siehe link unten

Prüfplan.pdf: siehe link unten

Documents annexés

• Dokument1.pdf [PDF] 93 kB
• Prüfplan.pdf [PDF] 89 kB

Mise en oeuvre et application (Allemand)

Die gewonnen Kenntnisse über die Emissionen von Niedertemperaturasphalt im Vergleich mit Heissasphalt können als Grundlage verwendet werden für Empfehlungen und Richtlinien durch die zuständigen Behörden wie ASTRA und BAFU. Allerdings müssen die Erkenntnisse über die mechanischen Eigenschaften und die Dauerhaftigkeit der Niedertemperaturbeläge, die in anderen Einzelprojekten des Forschungspaketes erarbeitet werden auch berücksichtigt werden. So ist eine nachhaltige Verbesserung der Arbeitshygiene von Arbeitern im Strassenbau möglich. Gleichzeitig bedeuten geringere Emissionen auch eine tiefere Belastung der gesamten Umwelt.

No du rapport (Allemand)

1585

No du rapport (Anglais)

1585

Littérature (Allemand)

[buec] N. Bueche, A.G. Dumont, C. Angst, Projet initial – Enrobés bitumineux à faibles impacts énergétiques et écologiques, Eidgenössisches Departement für Umwelt, Energie und Kommunikation UVEK, Bundesamt für Strassen, École Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL), Laboratoire des voies de circulation (LAVOC), im Druck.

[eca] ECA-IAQ EUR 17675, European Collaborative Action, Indoor Air and its Impact on Man, Report No. 19, Total Volatile Organic Compounds (TVOC) in Indoor Air Quality Investigations, European Commission, Joint Research Centre, 1997.

[gau1] Gaudefroy, V., Viranaiken, V., Paranhos, R., Jullien, A. and De la Roche, C. (2007) Laboratory assessment of fumes generated by bituminous mixtures and bitumen. Road Materials and Pavement Design 11(1): 83-100.

[gau2] V. Gaudefroy et al., Laboratory investigations on the Total Organic Compounds emissions of half-warm mix asphalt technology versus traditional hot mix asphalt. ISAP 2008, Zurich, p. 245-254.

[hind] Hinds, W. C. Aerosol technology properties, behavior, and measurement of airborne particles. New York, Wiley, 1999, p. 43.

[hug1] M. Hugener, L. Emmenegger, and P. Mattrel, Zusammenhang zwischen PAK-Gehalt in teerhaltigem Recyclinggranulat und in den emittierten Dämpfen beim Wiedereinbau, Forschungsprojekt VSS 200-453, Eidgenössisches Departement für Umwelt, Verkehr, Energie und Kommunikation, Bundesamt für Strassen, 2007, Nr. 1183, p. 93.

[hug2] Hugener, M., Emmenegger, L. and Mattrel, P. (2009). Emissions of tar-containing binders: Field studies. Journal of Environmental Science and Health - Part A Toxic/Hazardous Substances and Environmental Engineering 44(1): 29-37.

[hug3] Hugener, M., Emmenegger, L. and Mattrel, P. (2007). Emissions of tar-containing binders: a laboratory study. Journal of Environmental Science and Health Part a-Toxic/Hazardous Substances & Environmental Engineering 42(3): 241-247.

[hug4] Hugener, M., L. Emmenegger, and Mattrel P., Hot-Recycling of Tar-Containing Asphalt Pavements. Emission Measurements in the Laboratory and in the field. Road Materials and Pavement Design, 11(1), 2010, p. 29-46.

[lang] Lange, C.R. and M. Stroup-Gardiner, Temperature-dependent chemical-specific emission rates of aromatics and polyaromatic hydrocarbons (PAHs) in bitumen fume. Journal of Occupational and Environmental Hygiene, 4, 2007, p. 72-76

[mak] Grenzwerte am Arbeitsplatz, 2010, Schweizerische Unfallversicherungsanstalt (SUVA), Luzern.

[raul] Raulf-Heimsoth, M., et al., Assessment of irritative effects of fumes of bitumen on the airways by using non-invasive methods - Results of a cross-shift study in mastic asphalt workers. Journal of Occupational and Environmental Hygiene, 4, 2007, p. 223-227.

[rühl] R. Rühl et al., Bitumen emissions on workplaces in Germany. Journal of Occupational and Environmental Hygiene, 4, 2007, p. 77-86.

[ruml] Rumler, R., et al., Health complaints of German mastic asphalt workers. Journal of Occupational and Environmental Hygiene, 4, 2007, p. 233-236.

[vdi] Verein Deutscher Ingenieure (VDI). Umweltmeteorologie, Emissionen von Gasen, Gerüchen und Stäuben aus diffusen Quellen, Beuth Verlag GmbH, Berlin. ICS 13.040.01, 2005.