Utprøving av alternative kjemikalier for vinterdrift av veger

Transkript

1 NTNU Norges teknisk-naturvitenskapelige universitet Fakultet for Ingeniørvitenskap og teknologi Institutt for Bygg, Anlegg og Transport Masteroppgave Gjermund Dahl Utprøving av alternative kjemikalier for vinterdrift av veger Testing of Alternative Chemicals for Winter Operation of Roads Trondheim, juni 2009

2

3 NORGES TEKNISK- NATURVITENSKAPELIGE UNIVERSITET INSTITUTT FOR BYGG, ANLEGG OG TRANSPORT Oppgavens tittel: Utprøving av alternative kjemikalier for vinterdrift av veger Title: Testing of Alternative Chemicals for Winter Operation of Roads Dato: 15. Juni 2009 Antall sider (inkl. bilag): 98 Masteroppgave X Prosjektoppgave Navn/ Stud.techn: Gjermund Dahl Faglærer: Ivar Horvli Eventuelle eksterne faglige kontakter/veiledere: Professor Harald Norem ved Statens vegvesen Vegdirektoratet, Tek-T Ekstrakt: Masteroppgaven ble utført for å se på hvilke effekter som kan oppnås med noen utvalgte alternative kjemikalier gjennom en litteraturstudie, laboratorie- og feltforsøk. Formålet med arbeidet har vært å tilegne seg nyttig informasjon om kjemikalienes egenskaper, som igjen vil kunne utnyttes i vinterdriften av veger. Det er utført forskning på tre kjemikalier i tillegg til natriumklorid som referanse. Disse kjemikaliene er sukker (både rent og blandingen 70/30 salt-sukker), Aviform og CMA. Egenskapene ved frysepunktnedsettelse, kompaktering av snø og smeltekapasitet ble beskrevet gjennom litteraturstudiet og testet både i laboratoriet og felten. Kjemikalier som løser seg til mange ioner eller som har lav molvekt, eller begge, vil gi størst frysepunktnedsettelse. Laboratorieforsøk påviste at natriumklorid, Aviform og 70/30 salt-sukker hadde tilnærmet samme frysepunktreduserende effekt. Det var nødvendig med 1,25 ganger så mye CMA og 3,5 ganger så mye sukker i forhold til natriumklorid ved en frysepunknedsettelse på -5,0 o C. Det ble utført ulike forsøk for å vurdere kompakteringsevnen til snø tilsatt kjemikalier. Resultatene fra en kuletest og en konustest viste at ved å ta høyde for virkningsgraden til kjemikaliene ble det oppnådd like resultater uavhengig av hvilket kjemikalie som ble valgt. Kjemikalienes smeltekapasitet ble testet i henhold til SHRP. Natriumklorid hadde best smeltekapasitet og -effekt. Aviform hadde sammenlagt best smeltekapasitet i forsøkene ved -1,0 og -5,0 o C, av de alternative kjemikaliene. Rent sukker hadde dårligst smeltekapasitet. CMA trengte klart lengre tid enn natriumklorid for å smelte is.

4 Gjennom laboratorie- og feltforsøkene ble også betydningen av mengden fritt vann i snøen observert. Snøen fikk redusert styrke fordi kjemikaliene reduserte frysepunktet og dermed økte mengden fritt vann mellom snømolekylene. Det antas at det er kjemikalienes egenskap til å manipulere mengden fritt vann mellom snømolekylene som reduserer kompakteringsevnen til snø. Abstract: The Master's thesis is carried out to see which effects can be achieved with selected alternative chemicals through a literature study, laboratory and field experiments. The purpose of this work is to obtain useful information on chemical properties, which will be used in the winter operation of roads. Research was carried out on three chemicals, in addition to sodium chloride as a reference. These chemicals are sugar (both pure and mixture 70/30 salt-sugar), Aviform and CMA. Properties by freezing point depression, compression of snow and ice melting capacity was described in the literature study and tested in the experiments. Chemicals which resolve into many ions, or who have low molar weight, or both, will provide the greatest freezing point depression. Laboratory experiments revealed that sodium chloride, Aviform 70/30 and salt-sugar had approximately the same freezing point depression. It was necessary to use 1.25 times as much CMA and 3.5 times as much sugar in relation to sodium chloride at a freezing point depression of -5.0 o C. It was conducted different experiments to assess the ability of compressed snow added chemicals. The results from the bullet test and the cone test showed that by taking the efficiency of the chemicals into account, it was obtained similar results regardless of which type of chemical that was used. The melting capacity of the chemicals was tested according to the SHRP. Sodium chloride had the best melting capacity. Aviform had the best combined capacity in the melting experiments at -1.0 and -5.0 o C, of the alternative chemicals. Pure sugar had clearly low melting capacity. CMA needed noticeably more time than sodium chloride to melt ice. Through laboratory and field tests the importance of the amount of free water in snow was observed. The chemicals reduced the freezing point and thereby increased the amount of free water between snow molecules. This lead to a reduction in the strength of the snow. It was assumed that the chemicals ability to manipulate the amount of free water between snow molecules reduces the compressibility of snow. Stikkord: 1. Veg Road 2. Kjemikalier Chemicals 3. Utprøving Testing 4. Vinterdrift Winter Operation 5. Vedlikehold Maintenance (sign.).

5 Norges teknisknaturvitenskapelige universitet NTNU Fakultet for ingeniørvitenskap og teknologi Institutt for bygg, anlegg og transport Postadresse Høgskoleringen 7a 7491 Trondheim Telefon Telefaks MASTEROPPGAVE VÅREN 2009 for Gjermund Dahl Utprøving av alternative kjemikalier for vinterdrift av veger Testing of Alternative Chemicals for Winter Operation of Roads Bakgrunn Kravet om god framkommelighet og trafikksikkerhet for vegtransporten er av stor samfunnsøkonomisk betydning. For vinterdriften av vegene i Norge brukes det i dag store mengder salt (NaCl) for å skape tilfredsstillende friksjon og kjøreforhold. Omfanget av saltbruken er i dag så stort at det skaper debatt med hensyn til forurensinger av naturen og korrosjon på biler og konstruksjoner nær vegen. De siste 20 årene har det blitt presentert flere aktuelle kjemikalier som kan være et alternativ til NaCl. Enkelte av disse har også vært i bruk i vinterdriften i flere land allerede. Felles for disse stoffene er at det foreligger relativt dårlig teknisk dokumentasjon om hvilken effekt disse har som friksjonsforbedrende tiltak. I spesielle sårbare naturområder er det behov for å utvikle alternative metoder som bruk av mindre miljøfarlige kjemikalier eller andre virkemidler. Dette er bakgrunnen for Statens vegvesens etatsprosjekt SaltSMART. Gjennom dette prosjektet ønsker en å øke kunnskapen om effektene ved bruk av alternative kjemikalier til NaCl. Også kunnskap om bruk av tilsettingsstoffer til NaCl for å bedre egenskapene av NaCl er av interesse for prosjektet.

6 Oppgave Målsettingen for masteroppgaven er å gjennomføre studier som viser hvilke egenskaper ved kjemikaliene vi ønsker å utnytte i vinterdriften og å sammenlikne egenskapene til de mest aktuelle kjemikaliene som for denne oppgaven er antatt å være: - Natriumklorid (Referanse) - Sukker eller stivelse (Både som separat stoff eller kombinert med NaCl) - Aviform (Kaliumformiat) - Calsium-magnesium-acetat (CMA) Masteroppgaven omfatter litteraturstudier, laboratorieforsøk og muligens mindre feltforsøk for å verifisere resultat fra laboratorieforsøk. Studenten bør gjennom sitt arbeide blant annet utføre følgende oppgaver: Gi en beskrivelse av hvilke fysiske egenskaper ved kjemikaliene en ønsker å utnytte i vinterdriften med hensyn til friksjon og framkommelighet. På bakgrunn av litteraturstudier å gi en oversikt over publiserte effekter og erfaringer med de aktuelle kjemikaliene Gi en oversikt over eksisterende laboratorieprosedyrer og standarder som er relevante for undersøkelse av de ulike kjemikalienes driftstekniske og trafikktekniske virkning. Utarbeide et forslag til prosedyrer for laboratorieforsøk for å undersøke driftstekniske og trafikktekniske egenskaper til de aktuelle kjemikaliene Gjennomføre laboratorieforsøk for å sammenlikne egenskapene til kjemikaliene Dersom det er mulig, gjennomføre mindre feltforsøk med enkelte eller flere av kjemikaliene Generelt om oppgaveinnhold og presentasjon Oppgaveteksten er ment som en ramme for kandidatens arbeid. Justeringer vil kunne skje underveis. Eventuelle justeringer må skje i samråd med veileder og faglærer ved instituttet (samt med ekstern samarbeidspartner der dette er aktuelt). Ved bedømmelsen legges det vekt på grundighet i bearbeidingen og selvstendighet i vurderinger og konklusjoner, samt at framstillingen er velredigert, klar, entydig og ryddig uten å være unødig voluminøs. Besvarelsen skal inneholde: Standard rapportforside Tittelside med ekstrakt og stikkord, Oppgaveteksten (signert) Sammendrag, innholdsfortegnelse inkl. oversikt over vedlegg Hovedteksten / besvarelsen Referanser til kildemateriale som ikke er av generell karakter, dette gjelder også for muntlig informasjon og opplysninger Besvarelsen skal ha komplett sidenummerering

7 Se for øvrig Råd og retningslinjer for rapportskriving ved prosjektarbeid og masteroppgave ved Institutt for bygg, anlegg og transport. Aktuelle dokumenter og maler ligger på Hva skal innleveres? Besvarelsen i original (uinnbundet) To innbundne kopier Eventuelt: avtalte tilleggskopier for formidling til ekstern samarbeidspartner (dekkes av instituttet eller ekstern partner) CD med besvarelse og underliggende materiell i digital form (pdf-format) En kortfattet (tilsv. 1-2 A4-sider inkl. evt. illustrasjoner) populærvitenskapelig oppsummering av arbeidet, på html-mal gitt av instituttet, beregnet for publisering på internettet. Oppsummeringen bør redegjøre for hensikten med arbeidet og for gjennomføringen og de vesentligste resultater og konklusjoner av arbeidet. Dokumentasjon som med instituttets støtte er samlet inn under arbeidet med oppgaven skal leveres inn sammen med besvarelsen. Den innleverte masteroppgaven med bilag kan av NTNU fritt benyttes til undervisnings- og forskningsformål. Ved bruk ut over dette, som utgivelse og annen økonomisk utnyttelse, må det inngås særskilt avtale mellom NTNU og kandidaten. Avtaler om ekstern veiledning, gjennomføring utenfor NTNU, økonomisk støtte m.v. Det vil bli gitt ekstern veiledning fra Statens vegvesen Vegdirektoratet, Tek-T. Harald Norem er hovedansvarlig for denne veiledninga med Aage Sivertsen som fagkontakt mot prosjektet SaltSMART. Ved innlevering av oppgaven blir det utbetalt et beløp på kr som kompensasjon for ikke legitimerte utgifter HMS NTNU legger stor vekt på sikkerheten til den enkelte arbeidstaker og student. Den enkeltes sikkerhet skal komme i første rekke og ingen skal ta unødige sjanser for å få gjennomført arbeidet. Studenten skal derfor ved uttak av Masteroppgaven få utdelt brosjyren Helse, miljø og sikkerhet ved feltarbeid m.m. ved NTNU. Dersom studenten i arbeidet med masteroppgaven skal delta i feltarbeid, tokt, befaring, feltkurs eller ekskursjoner, skal studenten sette seg inn i Retningslinje HMS ved feltarbeid m.m. Dokumentet finnes på fakultetets HMS-sider på nettet, se Studenter har ikke full forsikringsdekning gjennom sitt forhold til NTNU. Dersom du som student ønsker samme forsikringsdekning som tilsatte ved universitetet, anbefales det at du tegner reiseforsikring og personskadeforsikring. Mer om forsikringsordninger for studenter se samme lenke som ovenfor.

8 Oppstart og innleveringsfrist: Arbeidet med oppgaven starter Besvarelsen, som beskrevet ovenfor, skal leveres innen Ansvarlig faglærer ved instituttet: Ivar Horvli Øvrig veiledere hos ekstern samarbeidspartner som er: Harald Norem og Åage Sivertsen ved Statens vegvesen Vegdirektoratet, Tek-T. Trondheim, den 19. januar 2009 Revidert (sign) Faglærer Institutt for bygg, anlegg og transport

9 Forord Denne masteroppgaven er skrevet i løpet av avsluttende semester ved Norges Tekniske- Naturvitenskaplige Universitet. Arbeidet har pågått i perioden 19. januar til 15. juni Oppgaven er skrevet i samarbeid med Statens vegvesen Vegdirektoratet, Tek-T. Formålet med arbeidet er å tilegne seg nyttig informasjon om kjemikalienes egenskaper, som igjen vil kunne utnyttes for å oppnå en svart og bar veg der friksjon og trafikksikkerhet er opprettholdt. Det er utført et litteraturstudium og ulike forsøk i laboratorium og i felt for å prøve ut alternative kjemikalier for vinterdriften av veger. Å skrive masteroppgave har vært lærerikt og ikke minst spennende. Det er mange jeg vil takke når jeg nå er ferdig. Først av alt vil jeg takke Professor Harald Norem ved Statens vegvesen Vegdirektoratet, Tek-T for god og inspirerende veiledning gjennom hele mitt arbeid. Takk for god oppfølging og at du alltid har vært tilgjengelig. Jeg vil også takke min faglærer Ivar Horvli for gode råd, samt laboratorieingeniørene Tore Menne og Stein Hoseth med hjelp til mine forsøk. Jeg ønsker også å rette en stor takk til Ph.D. student Kai Rune Lysbakken ved Statens vegvesen Vegdirektoratet, Tek-T. Dine innspill har vært av stor verdi. Tilslutt ønsker jeg å takke Nina. Tusen takk for din gode støtte gjennom denne våren. Trondheim, 15. juni 2009 Gjermund Dahl Utprøving av alternative kjemikalier for vinterdrift av veger VIII

10 Utprøving av alternative kjemikalier for vinterdrift av veger IX

11 Sammendrag God vinterdrift er ensbetydende med å opprettholde fremkommelighet og trafikksikkerhet. Bruk av natriumklorid er et av virkemidlene som er blitt benyttet i stadig større grad. Mange negative og kostbare konsekvenser har blitt oppdaget nå i senere tid. Utgangspunktet for denne masteroppgaven har vært å bistå Statens vegvesen i å prøve ut alternative kjemikalier for vinterdriften av veger. Det finnes tre kjemiske egenskaper som utnyttes med bruk av kjemikalier. Den første egenskapen er kjemikalienes egenskap til å senke frysepunktet til vann for å hindre is/rim dannes på vegbanen. Den andre er kjemikalienes egenskap til å endre kornstrukturen og bindinger i snøen for å hindre at snøen kompakteres og festes til vegbanen. Den siste er kjemikalienes egenskap til å smelte is som ligger på vegen. I denne oppgaven ble det valgt ut tre alternative kjemikalier som skulle testes opp mot referansen natriumklorid. Disse kjemikaliene er sukker (både rent og blandingen 70/30 salt-sukker), Aviform og CMA. For å kunne beskrive effektene til disse kjemikaliene ble det utført et litteraturstudium for å se på generelle egenskaper til kjemikalier i vann og snø, og på tidligere forskning med alternative kjemikalier. Det ble også utført laboratorieforsøk og feltforsøk for å se på de tre kjemiske egenskapene som ønskes utnyttet. Teorier om frysepunktnedsettelse blir gjengitt i oppgavens teorikapittel. Reduksjonen i frysepunktet har med kolligative egenskaper å gjøre. Kjemikalier som løser seg til mange ioner eller som har lav molvekt, eller begge, vil gi størst frysepunktnedsettelse. Frysepunktnedsettelse ble deretter målt i laboratoriet. Natriumklorid, Aviform og 70/30 salt-sukker hadde tilnærmet samme frysepunktreduserende effekt. Det var nødvendig med 1,25 ganger så mye CMA og 3,5 ganger så mye sukker i forhold til natriumklorid ved en frysepunknedsettelse på -5,0 o C. Det ble utført tre ulike forsøk, i klimarommet ved NTNU, for å vurdere kompakteringsevnen til snø tilsatt kjemikalier. Første test var en kuletest der en stålkule ble sluppet ned på sylindriske snøblandinger for å beskrive penetrasjonsdybde og hulldiameter. Mengden tilsatt kjemikalier i snøen tilsa en frysepunktnedsettelse på -2,0 og -4,0 o C. Resultatene viste at ved å ta høyde for virkningsgraden til kjemikaliene ble det oppnådd like resultater uavhengig av hvilket kjemikalie som ble valgt. Det samme resultatet ble registrert i den andre testen, konustesten, der et kont lodd ble dratt gjennom sylindre av snø. Styrken til snøen var lik når det var tatt høyde for virkningsgraden til kjemikaliene. Styrken til snøen tilsatt kjemikalier var også vesentlig lavere en for ren snø. Den siste testen, kompakteringstesten, besto av et bilhjul som ble rullet over et asfaltstykke med snø tilsatt kjemikalier. Natriumklorid dannet den karakteristiske slusjen som oppstår ute på vegen og satt seg fast til hjulet. Ingen av de andre kjemikaliene smeltet like mye eller festet seg til hjulet. De ble liggende igjen som en masse i porene i asfalten som ikke lot seg kompaktere. I disse tre forsøkene ble også betydningen av mengden fritt vann i snøen observert. I kuletesten rant smeltevannet fra frysepunktnedsettelsen ut av snøen. Det etterlot seg en hard snø øverst i prøvesylinderen. Det antas på bakgrunn av Mellor og Smiths (1966) teori at tykkelsen og kontinuiteten av løst kjemikalie vil påvirke det tilgjengelige området for bindinger mellom snømolekylene. Når smeltevannet rant ut ble den frie vannmengden rundt snøens korngrense redusert slik at vi fikk en økning i styrken til snøen. I kompakteringstesten forsvant ikke smeltevannet Utprøving av alternative kjemikalier for vinterdrift av veger X

12 og snøen lot seg ikke kompaktere. Snøen fikk redusert styrke fordi kjemikaliene reduserte frysepunktet og dermed økte mengden fritt vann mellom snømolekylene. Kompakteringstestene ble utført etter egne prosedyrer, men det ble også utført forsøk standardisert etter eksisterende laboratorieprosedyrer. Ved bruk av SHRP (Strategic Highway Research Program) sin smeltekapasitetstest ble det påvist at kjemikaliene hadde ulike smelteegenskaper. Natriumklorid hadde best smeltekapasitet og -effekt. Aviform hadde sammenlagt best smeltekapasitet i forsøkene ved -1,0 og -5,0 o C, av de alternative kjemikaliene. Rent sukker hadde klart dårligst smeltekapasitet. CMA trengte klart lengre tid enn natriumklorid for å smelte is. I feltforsøkene ble kjemikaliene lagt ut preventivt og på snødekke. Aviform hadde best effekt i begge tilfeller, sammen med 70/30 salt-sukker. Etter tilsetting av kjemikaliene på 2cm snø lot snøen seg ikke kompaktere. CMA trengte betraktelig lengre tid enn de andre kjemikaliene. Etter tilsetting av kjemikaliene på 6cm snø ble det registrert forskjeller mellom kjemikaliene. Igjen antas det at mengden fritt vann i snøen er en betydelig faktor. Snøen tilsatt natriumklorid, Aviform og CMA smeltet mest, men mengden fritt vann ble for liten til at snøen lett kunne fjernes mekanisk. Det førte heller til at snøen ble hard og vanskelig å fjerne. Vurderinger rundt resultatene fra laboratoriet og feltforsøkene er bakgrunnen for min hypotese om betydningen av mengden fritt vann. Det antas at det er kjemikalienes egenskap til å manipulere mengden fritt vann mellom snømolekylene som er rimelig. Det kan dermed ikke hevdes at det er kjemikalienes egenskap til å endre kornstrukturen og bindinger som forhindrer kompaktering av snø. Det vil være opp til videre laboratorieforsøk å vurdere betydningen av styrkevariasjon ut i fra mengden av fritt vann, men det antas at kompakteringsevnen til snø vil variere med mengden tilsatt kjemikalier og andelen fritt vann i snøen. Andelen fritt vann vil således være avhengig av mengden tilsatt kjemikalier. Utprøving av alternative kjemikalier for vinterdrift av veger XI

13 Innhold FORORD... VIII SAMMENDRAG... X 1 INNLEDNING VALG AV TEMA SAMFUNNSMESSIG OG FAGLIG RELEVANS FORSKNINGSSPØRSMÅL Avgrensning PROSJEKTETS OPPBYGGING TEORI HENSIKT MED BRUK AV KJEMIKALIER PÅ VEG KJEMISK VIRKNING OG FRYSEPUNKTNEDSETTELSE NATRIUMKLORID ALTERNATIVE KJEMIKALIER Sukker Aviform CMA TIDLIGERE FORSKNING MED ALTERNATIVE KJEMIKALIER LABORATORIEFORSØK FELTFORSØK LABORATORIEFORSØK ORIENTERING OM LABORATORIEFORSØKENE FRYSEPUNKT FOR ALTERNATIVE KJEMIKALIER Hensikt Utstyr Testprosedyre Resultat Diskusjon KOMPAKTERING AV SNØ TILSATT KJEMIKALIER Kuletest Hensikt Utstyr Testprosedyre Resultat Diskusjon Kompaktering til vegbane Hensikt Utstyr Testprosedyre Resultat Diskusjon Konustest Hensikt Utstyr Testprosedyre Resultat Utprøving av alternative kjemikalier for vinterdrift av veger XII

14 Diskusjon SMELTEKAPASITET Hensikt Utstyr Testprosedyre Resultater Diskusjon FELTFORSØK PREVENTIV KJEMIKALIETILSETTING OG MEKANISK FJERNING Hensikt Utstyr Testprosedyre Resultater Diskusjon KOMPAKTERING AV SNØ PÅ VEG Hensikt Utstyr Testprosedyre Resultater Diskusjon DRØFTING OG KONKLUSJONER FØRSTE HYPOTESE ANDRE HYPOTESE TREDJE HYPOTESE KJEMIKALIENES EFFEKT VIDERE ARBEID MED UTPRØVING AV ALTERNATIVE KJEMIKALIER KILDER VEDLEGG 1 FRYSEPUNKTNEDSETTELSE VEDLEGG 2 DATABLAD CRYOTECH CMA VEDLEGG 3 SIKTEPRØVE CMA VEDLEGG 4 SMELTEKAPASITET VED -5,0 O C VEDLEGG 5 SMELTEKAPASITET VED -1,0 O C Utprøving av alternative kjemikalier for vinterdrift av veger XIII

15 Figurliste Figur 2-1, Redusering i frysepunkttemperatur (Dill, Bromberg 2002:288)...5 Figur 2-2, Normalisert styrke og hardhet (σ Ѳ /σ -10 ) under press kontra temperatur (Ѳ) for ren snø (Mellor og Smith 1966)....6 Figur 2-3, Fasediagram NaCl (Vaa, Sakshaug 2007)...7 Figur 2-4, Natriumklorid oppløst i vann (Animasjon: NaCl løst i vann, )...8 Figur 2-5, Fasediagram for sukker (Möller 2007) Figur 2-6, Sukrose til glukose og fruktose (Produktinformasjon Sokeri auringo, ) Figur 2-7, Teoretisk frysepunktnedsettelse for sukrose og natriumklorid, tilsatt mengde Figur 2-8, Teoretisk frysepunktnedsettelse for sukrose og natriumklorid, vektprosent Figur 2-9, Fasediagram for CMA og andre kjemiske løsninger (Ketcham, Minsk, Blackburn 1996) Figur 4-1, Frysepunktnedsettelse natriumklorid, (teoretisk lavest ved -21,1 o C) Figur 4-2, Frysepunktnedsettelse sukker Figur 4-3, Saltblandinger Figur 4-4, Målt frysepunktnedsettelse med FBOX Figur 4-5, Penetrasjon av 0,5 kg snø tilsatt kjemikalier, ved ulik frysepunktnedsettelse Figur 4-6, Hulldiameter i 0,5 kg snø tilsatt kjemikalier, ved ulik frysepunktnedsettelse Figur 4-7, Gjennomsnittstemperaturer i snøen tilsatt kjemikalier Figur 4-8, Konustest med 30 grader for frysepunktnedsettelse på -2,0 o C og -4,0 o C Figur 4-9, Konustest med 60 grader for frysepunktnedsettelse på -2,0 o C og -4,0 o C Figur 4-10, Konustest med frysepunktnedsettelse på -2,0 o C for konus med vinkel på 30 og 60 grader Figur 4-11, Konustest med frysepunktnedsettelse på -4,0 o C for konus med vinkel på 30 og 60 grader Figur 4-12, Smeltet is ved temperatur -5,0 o C for de ulike kjemikaliene Figur 4-13, Smeltet is ved temperatur -1,0 o C for de ulike kjemikaliene Figur 5-1, Organisering av utlagt kjemikalier Figur 6-1, Kompakteringsevnen til snø tilsatt kjemikalier Figur 6-2, Kompakteringsevnen til snø uten tilsatt kjemikalier Figur 6-3, Mengden fritt vann avhengig av mengden tilsatt kjemikalier Figur 6-4, Kompakteringsevnen til snø avhengig av mengden fritt vann og tilsetting av kjemikalier Utprøving av alternative kjemikalier for vinterdrift av veger XIV

16 Bildeliste Bilde 1, FBOX Bilde 2, CMA, 15 % løsning Bilde 3, Modell og prototype Bilde 4, Natriumklorid, -4,0 o C Bilde 5, Sukker, -4,0 o C Bilde 6, CMA, -4,0 o C Bilde 7, Aviform, -4,0 o C Bilde 8, 70/30 salt-sukker for -2,0 o C og -4,0 o C Bilde 9, Konus med vinkel 30 og 60 grader Bilde 10, Ferdig montert konus klar for test Bilde 11, Pleksiglasskåler, kloss, sprøyter og stoppeklokker Bilde 12, Aluminiumsplate Bilde 13, Smeltet is med natriumklorid Bilde 14, Seks centimeter snø tilsatt 20g/m 2 natriumklorid Bilde 15, Seks centimeter snø tilsatt 40g/m 2 sukker Bilde 16, Seks centimeter snø tilsatt 20g/m 2 CMA Bilde 17, Nærbilder av de tørre kjemikaliene Tabelliste Tabell 1, Metoder for fjerning av is og snø og friksjonstiltak...3 Tabell 2, Korreksjonsfaktor for sprøyte Tabell 3, Forholdstall ut i fra målt frysepunktnedsettelse med FBOX Tabell 4, Smeltet mengde is i milliliter etter 60 minutter ved -1,0 o C Tabell 5, Smeltet mengde is i milliliter etter 60 minutter ved -5,0 o C Utprøving av alternative kjemikalier for vinterdrift av veger XV

17 Ordforklaringer Entropi Enzymer (kjemisk bet) Eutektisk temperatur Fasediagram Fruktose Glukose Invertsukker Hygroskopisk materiale Kompaktering(evne) Klimarom Kolligativ egenskap Konuslodd Molalitet Molvekt Melasse NaCl Smelteeffekt Smeltekapasitet Sukrose Standardavvik SHRP Vektprosent Definert som mengden uorden som er tilstedet i et system. Katalyserer omdannelse av kjemisk energi til mekanisk arbeid, og omvendt. Den laveste temperaturen en blanding mellom to stoffer kan ha, for eksempel mellom salt og vann. Viser frysepunkt (eutektitum) for kjemikalier ved ulike vektkonsentrasjoner Fruktsukker Druesukker Spaltet sukrose til like store deler glukose og fruktose. Kan gjøres ved hjelp av enzymer. Et materiale som kan ta opp og avgi fuktighet. I denne forbindelse, et kvalitativt mål for om snø ikke lar seg forme. Kompaktering betegnes dermed ikke for økning i tetthet eller reduksjon i størrelse. Et rom som kan holde stabil temperatur både over og under 0,0 grader. Målbare egenskaper av løsninger som er avhengig av antall molekyler løst stoff ikke av hvilke molekyler som er oppløst. Eks. Frysepunktnedsettelse Lodd med sirkulært tverrsnitt og jevnt avtagende diameter langs lengdeaksen (kjegle). Mol/kg, et uttrykk for konsentrasjon av en løsning. Molekylvekt g/mol, hentes fra periodesystemet. Sukkerløsning, ofte fra industri som selges i store kvanta. Varierende sukkerinnhold. Forkortelse for natriumklorid. Smeltet mengde is etter relativt kort tid (initieringsfase). Smeltet mengde is etter en gitt tid, i henhold til SHRP. Vanlig rent sukker/bordsukker. Et mål på usikkerhet. Standardavvik er et alminnelig mål på en observasjonsseries spredning. Strategic Highway Research Program. Mengde av et stoff delt på mengden av stoffet pluss mengden løsemiddel Eks. 20g salt i 200ml vann = 9,1 vekt% Utprøving av alternative kjemikalier for vinterdrift av veger XVI

18 Utprøving av alternative kjemikalier for vinterdrift av veger XVII

19 1 Innledning 1.1 Valg av tema Oppgaven ble formulert på bakgrunn av stadig større fordringer om å finne alternativ metoder og flere aktuelle alternativ til den nåværende bruken av natriumklorid. Mange negative og ofte kostbare konsekvenser har blitt oppdaget nå i senere tid. Utgangspunktet for valg av oppgave har vært mulighetene til å bistå utviklingen, ved å gjennomføre forskning og å finne fullgode alternativer til bruk på veg. Statens vegvesen har kommet et godt stykke i dette arbeidet gjennom sitt etatsprosjekt, SaltSMART. Deres analyser fungerer som utgangspunkt for å opparbeide ytterligere kunnskap om virkningene ved bruk av alternative kjemikalier. Formålet med arbeidet er å tilegne seg nyttig informasjon om kjemikalienes egenskaper, som igjen vil kunne utnyttes for å oppnå en svart og bar veg, der friksjon og trafikksikkerhet er opprettholdt. Likeledes er det ønskelig at resultatene fra dette prosjektet også vil være av nytte for videre arbeid i Statens vegvesen. 1.2 Samfunnsmessig og faglig relevans Økt kunnskap om alternative kjemikalier er således av samfunnsmessig relevans. Både ønsket om stadig ressurseffektivisering og større grad av bærekraftig utvikling er viktige trekk. Dagens bruk av natriumklorid skaper også store diskusjoner og omtaler i mediene. Kostnadene på konstruksjoner nær vegen, på kjøretøy og fremfor alt på miljøet er i tillegg av stor samfunnsøkonomisk betydning. Den siste tiden har blant annet skader på naturområder og forurensning av grunnvann vært spesielt omtalt. Når det nå kommer flere alternative kjemikalier på markedet er det fokuset på miljøforbedringer som står sterkt hos selgerne. Men virkningene disse kjemikaliene har for å oppnå ønskelig standard på vegen, og som ønskes utnyttet i vinterdriften er lite dokumentert. Ved at Statens vegvesen tilegner seg kunnskap om alternative kjemikalier til natriumklorid, vil de lettere kunne avgjøre hvilke produkter som er aktuelle etter hvert som tilbudene øker. Min oppgave vil i så måte være et bidrag til denne utviklingen. I tillegg har oppgaven relevans for utvikling innenfor faget. Gjennom å tilrettelegge for utvikling av forskningsmetoder, kan det også avdekkes nye måter å oppnå tilfredsstillende vegstandard på. Gjennom å fylle hull i gammelt arbeid kan dagens drift og vedlikehold utelukkende bli bedre. Utarbeidelse av nye forsøksmetoder kan ytterligere nyansere forskjeller mellom effekten til ulike kjemikalier. 1.3 Forskningsspørsmål Det foreligger relativt dårlig teknisk dokumentasjon om effekten av ulike alternative kjemikalier til natriumklorid. Gjennom dette prosjektet vil de fysiske egenskapene til utvalgte kjemikalier beskrives grundig ved forskning på frysepunktnedsettelse, kompaktering og smeltekapasitet. De dokumenterte egenskapene er i hovedsak tilknyttet miljø og registreringer av friksjonsverdier. Oppgaven har derfor til hensikt å beskrive de egenskaper som skaper tilfredsstillende friksjon og kjøreforhold. Jeg har derfor utviklet forskningsspørsmålet: Hvilke effekter kan en forvente å oppnå med bruk av ulike kjemikalier på snø- og islagt veg? Utprøving av alternative kjemikalier for vinterdrift av veger 1

20 1.3.1 Avgrensning I samarbeid med Statens vegvesen ble det valgt ut forskjellige kjemikalier som var aktuelle. De kjemikaliene som skal utprøves i dette arbeidet er: Natriumklorid (Som referanse) Sukker (Rent og kombinert med natriumklorid) Aviform (Kaliumformiat) CMA (Calsium-magnesium-acetat) Rapporten omhandler ikke de ulike kjemikalene sin påvirkning eller effekt på miljø. Dette er selvfølgelig et viktig aspekt i vurderingen av å finne mindre miljøskadelige alternativer, men her finnes det allerede mye litteratur. Således om korrosjon på kjøretøy og konstruksjoner nær vegen. Rapporten vil derfor ikke fokusere på disse temaene. De alternative kjemikaliene som utprøves i dette arbeidet har kostnader som overstiger bruk av natriumklorid. Innkjøpsprisen vil i de aller fleste tilfeller være langt høyere enn for natriumklorid, men det kan likevel være slik at alternative kjemikalier har større samfunnsøkonomisk lønnsomhet på sikt. Kostnaden for bruk av de alternative kjemikaliene sammenlignes med bakgrunn i tilsatt mengde for å oppnå tilsvarende resultat som for natriumklorid. Det økonomiske aspektet er likevel ikke det sentrale i vurderingene mellom de utvalgte kjemikaliene i denne oppgaven. 1.4 Prosjektets oppbygging Det er ønskelig å tilegne seg informasjonen om de alternative kjemikaliene gjennom både et litteraturstudie og ulike forsøk. Denne rapporten er derfor tredelt. Det er en teoretisk del og to eksperimentelle deler. Den teoretiske delen består av to kapitler. Første kapittel omfatter hensikten med å bruke kjemikalier på vegen og ulike egenskaper ved kjemikaliene man ønsker å utnytte. Kapittelet inneholder også karakteristikker for de utvalgte kjemikaliene. Det andre kapittelet beskriver resultater fra tidligere forskning. Det omfatter både utførte laboratorieforsøk og feltforsøk. Den første eksperimentelle delen beskriver forsøk utført i laboratorium. På bakgrunn av eksisterende og egne prosedyrer er det utført forsøk for å vurdere kjemiske og fysiske egenskaper ved de ulike kjemikaliene. Analysen er konsentrert omkring hvilke effekter som en kan forvente å oppnå ved bruk av kjemikalier. Den andre eksperimentelle delen inneholder feltforsøk. I løpet av våren 2009 ble det utført feltforsøk for å simulere tilnærmet virkelige tilfeller for bruk av kjemikalier på veg. Kjemikalier ble tilført både preventivt og under snøvær for å vurdere kjemikalienes egenskaper, likheter og ulikheter. Etter den teoretiske og de eksperimentelle delene kommer et kapittel med drøftinger og konklusjoner. Kapittelet innholder de vurderingene som med en viss sikkerhet kunne konkluderes og drøftinger av aktuelle hypoteser. Det er også et kapittel som beskriver hvordan arbeidet med alternative kjemikalier kan videreføres. Utprøving av alternative kjemikalier for vinterdrift av veger 2

21 2 Teori Den teoretiske delen består av to kapitler. Første kapittel omfatter hensikten med å bruke kjemikalier på vegen og ulike egenskaper ved kjemikaliene man ønsker å utnytte. Kapittelet inneholder også karakteristikker for de utvalgte kjemikaliene. Det andre kapittelet beskriver resultater fra tidligere forskning. Det omfatter både utførte laboratorieforsøk og feltforsøk. 2.1 Hensikt med bruk av kjemikalier på veg Statens vegvesen skal arbeide for et sikkert, miljøriktig og effektivt transportsystem (Vaa, Sakshaug 2007:4). God vinterdrift er ensbetydende med å opprettholde fremkommelighet og trafikksikkerhet. Med god vinterdrift ønsker man av fremkommelighetshensyn å øke hastigheten og trafikkvolumet på vintervegene, uten at det går ut over trafikksikkerheten. Hvorvidt bruk av kjemikalier hadde positiv effekt på trafikksikkerheten ble ikke fastsatt før SINTEF Samferdselsteknikk sin rapport kom ut i Rapporten omhandlet saltingens effekt på ulykker og kjørefart. På bakgrunn av før- og etterundersøkelse og et sammenlignende studie kom man frem til at antall politirapporterte personskadeulykker ble redusert med ca 20 %, etter slik saltpraksisen foregikk i Argumentet for at det saltes på Norges veger er dermed i hensyn til fremkommelighet og trafikksikkerhet (Larsen, Lysbakken, Nonstad, Sivertsen 2007). Den viktigste oppgaven i vinterdriften er fjerning av is og snø og å utføre friksjonstiltak. Metoder for fjerning av snø og is og friksjonstiltak kan deles inn i tre kategorier (Vaa, Sakshaug 2007). Det gjøres i henhold til tabell 1. Tabell 1, Metoder for fjerning av is og snø og friksjonstiltak Metode Fjerning av snø og is Friksjonstiltak Brøyting Fresing Høvling Sand Kategori Mekaniske Kjemiske Termiske Kjemikalier for å smelte eller bryte ned bindinger og i kombinasjon med mekaniske metoder I kombinasjon med mekaniske metoder Bruk av energi i form av varme Bruk av energi i form av varme Ved bruk av kjemikalier finnes det tre kjemiske egenskaper som det er ønskelig å utnytte. Første egenskapen er evnen til å redusere frysepunktet til vannet som ligger på vegen eller i løsningen som skal brukes på vegen. Den andre kjemiske egenskapen er evnen til å endre kornstrukturen og bryte bindinger i snøen. Den tredje egenskapen er evnen til å smelte is eller smeltekapasitet til kjemikaliet. Etter Larsen m.fl. (2007) vil disse kjemiske egenskapene kunne brukes med tre ulike hensikter: 1. Hindre at is/rim dannes på vegbane (redusere frysepunktet) 2. Hindre at snøen kompakteres og festes til vegbanen (endre kornstrukturen i snøen) 3. Smelte is som ligger på vegen (smeltekapasitet) Utprøving av alternative kjemikalier for vinterdrift av veger 3

22 For å forhindre at is og rim dannes på vegbanen må det gjøres tiltak før de farlige forholdene oppstår. Dette oppnås ved å bruke kjemikaliene preventivt, det vil si før vegbanen blir glatt. Det er det to årsaker til at man ønsker preventiv salting. Av trafikksikkerhetshensyn bør bruken av kjemikalier skje før vegbanen blir glatt. Uforutsette forhold for trafikantene, som for eksempel underkjølt regn, vil på denne måte reduseres. Saltforbruket vil også reduseres med preventiv salting. Det vil være ønskelig å bruke minst mulig salt for å oppnå størst mulig effekt på vegen (Larsen m.fl. 2007). Preventiv salting kan forsvares ved at det kreves betydelig mer salt for å bryte bindingene i is og snø enn for hindre at bindingene oppstår. Som den andre hensikten tilsier, ønskes det ikke at snøen fester seg til vegbanen. Derfor brukes kjemikalier til å hindre bindinger mellom snøkrystaller og snøkrystaller og asfalten. Ved å hindre disse bindingene vil snøen lettere kunne fjernes mekanisk. I litteraturen betegnes egenskapen for å fjerne snø eller isdekke, gjennom å bryte bindingen til underlaget, for underkutting. Kjemikaliene smelter is, penetrerer og bryter bindingene mellom is og asfalt. Den tredje hensikten innebærer salting etter at vegbanen allerede har blitt glatt. Kjemiske tiltak må utføres umiddelbart for å sikre fullgode kjøreforhold gjennom å smelte is og rim på vegen. Uavhengig av de tre hensiktene vil bruk av kjemikalier gi en redusering av frysepunktet i is eller snø. Frysepunktnedsettelse er derfor meget sentralt når det snakkes om bruk av kjemikaler på vegen. Beskrivelser av tilfrysningsegenskaper blir derfor grundig presentert, for de aktuelle kjemikaliene denne rapporten omhandler. Nedenfor presenteres egenskaper ved kjemikaliene, som danner bakgrunnen for å oppnå tilfredsstillende friksjon og framkommelighet. 2.2 Kjemisk virkning og frysepunktnedsettelse Bakgrunnen for dette delkapittelet er å redegjøre for viktige begreper, samt egenskapene ved de ulike kjemikaliene. Gjennom kontakt med professor Per-Olof Åstrand ved instituttet for kjemi, Norges Teknisk- Naturvitenskapelige Universitet, ble det trukket fram forslag til relevant litteratur denne delen baseres på. Substanser (salt, sukker osv.) sin løselighet i andre substanser, som for eksempel vann, knyttes til entropieffekten. For å forstå hva entropi er må man ta utgangspunkt i å se på hva som faktisk skjer når vann fryser. I væskeform beveger vannmolekylene seg helt tilfeldig i mange meter per sekund. De kolliderer og spretter av hverandre. Når væsken kjøles ned blir kollisjonene mindre energiske og dermed starter vannmolekylene å henge seg på hverandre. Når væsken når frysepunktet har hastigheten på vannmolekylene blitt så lav at de binder seg til hverandre og blir fast. I denne prosessen ordnes vannmolekylene i stadig større grad til tredimensjonale grupperinger eller formasjoner. Økningen i orden, som skjer når vannet fryser, korresponderer til reduksjonen i entropi i væsken. Entropi kan dermed i sin enkleste forstand forklars som uorden. Jo mer uorden det er i væsken, jo større er entropien. De samme gjelder for temperatur. Jo høyere temperatur, jo høyere entropi (Chang 2005). Utprøving av alternative kjemikalier for vinterdrift av veger 4

23 Forutsetningen for smelting av is er at ved tilsetting av kjemikalier må mer varme tilføres løsningen for å øke entropien. Når kjemikaliene brukes på is vil de løse seg i tynne lag av vann på toppen av isen, som reduserer frysepunktet og igjen smelter mer is. Når saltet løser seg i vann er dette fordi saltet reduserer det kjemiske potensialet til vannet. Saltet trekker til seg vann fra isen og til løsningen av salt ettersom isen smelter (Dill, Bromberg 2002). Figur 2-1, Redusering i frysepunkttemperatur (Dill, Bromberg 2002:288) a) Frysepunktet for en ren løsning Tf. b) Ved tilsetting av substans unngår man at vann går fra væske til is. Ved Tf, smelter isen. c) Reduseres temperaturen til T <Tf blir tendensen for at vannet går fra væske til is mindre, for så og nå et nytt frysepunkt. μ er betegnelse på det kjemiske potensialet. Tilføringen av kjemikalier har også effekt på snø og bindinger mellom snømolekyler. Det finnes flere teorier om ulike virkninger. En av teoriene presenteres av Mellor og Smith (1966), som beskriver at når temperaturen synker vil volumet av eventuelt løst kjemikalie rundt snøens korngrense reduseres. Tykkelse og kontinuitet til det løste kjemikalie vil påvirke det tilgjengelige området for bindinger mellom snømolekylene. Mengden løst kjemikalie (betegnes videre i oppgaven som mengden fritt vann) forventes å endre seg helt til eutektitum, der løsningen fryser. Da vil eventuell gjenværende løsning være konsentrert i diskret og ubetydelige lommer mellom snømolekylene. Ved at frysepunktet reduseres vil styrken til snøen kunne avta. Det er en klar sammenheng for at ren snø (snø som ikke er tilsatt kjemikalier) får større styrke ved lavere temperatur. Figuren under viser resultatene til Mellor og Smith, for normalisert styrke og hardhet kontra temperatur for ren snø. Styrken til snø tilsatt kjemikalier står sentralt i denne oppgaven. Det er også et utgangspunkt for flere av de utførte testene. Utprøving av alternative kjemikalier for vinterdrift av veger 5

24 Figur 2-2, Normalisert styrke og hardhet (σ Ѳ /σ -10 ) under press kontra temperatur (Ѳ) for ren snø (Mellor og Smith 1966). En reduksjon i frysepunket til vann er avhengig av substansen som skal løses opp. Natriumklorid vil redusere frysepunktet til vann i større grad enn med lik mengde sukker. Dette kan forklares med forskjellen i bindingene og i molvekten mellom natriumklorid og sukker. Bindingen i sukkermolekylene brytes ikke når sukker løses i vann. Natriumklorid splitter seg derimot og danner natriumioner og kloridioner. Dette beskrives i punkt 2.3. En natriumkloridløsning vil dermed inneholde dobbelt så mange komponenter som en sukkerløsning med samme molvekt. Altså er entropien størst i saltløsningen. Dette kan vi se ut fra utregning av frysepunktnedsettelse for sukrose og natriumklorid. Det vil kreves mer sukker for at en sukkerløsning skal kunne ha like stor entropi som 100g salt i 1 liter vann. Frysepunktnedsettelse er en kolligativ egenskap som er avhengig av antall molekyler til saltet eller gassen som skal løses i et løsningsmiddel. Med kolligative egenskaper menes egenskaper som kun avhenger av antall molekyler og/eller antall ioner av et oppløst stoff, og ikke hvilket stoff som er oppløst. (Helbæk 1999:297) Ved frysepunknedsettelse er det dermed en fordel å bruke molekyler som løser seg til mange ioner eller som har lav molvekt, eller begge. En formel for frysepunktnedsettelse for ideelle løsninger er T = - Kf * m (Fullerton, Keener, Cameron 1994). Kf er den kryoskopiske konstant som viser sammenhengen mellom frysepunktnedsettelse og molalitet, m. For løsningsmiddelet vann er Kf lik 1,858 kg mol-1. Molalitet står for mengden stoff (mol) per kg løsningsmiddel. Sikkerheten i beregning av frysepunktnedsettelse for en løsning er avhengig av hvor nøyaktig det er mulig å bestemme molekylære vekselvirkninger. Det er mer avanserte formler bak utregning av frysepunktnedsettelse for løsninger med høy molalitet. I litteraturen finnes det flere tolkninger for ideell og ikke-ideell frysepunktnedsettelse. (Se for eksempel Fullerton, Keener, Cameron 1994). Utprøving av alternative kjemikalier for vinterdrift av veger 6

25 2.3 Natriumklorid Det er flere former for salt som kan brukes til vinterdrift. I følge Vaa og Sakshaug (2007) er bruken av salt i form av natriumklorid det mest vanlige kjemiske middelet i Norge grunnet pris og effekt. Internasjonalt er det også bruken av natriumklorid som dominerer. Natriumklorid har god virkning under de fleste forhold og effektene ved bruk er godt dokumenterte. I Norge leveres salt både som steinsalt og sjøsalt. Det produseres også vakuumsalt, som lages ved å tørke en saltløsning under vakuum. Løsningen framstilles ved å pumpe vann inn i steinsalt. Steinsaltet kommer noe mer fordelaktig ut prismessig enn sjøsalt, dette på grunn av mindre vanninnhold i steinsaltet (Statens vegvesen 2003). En løsning av natriumklorid og vann, natriumkloridløsning, har lavest frysepunkt ved 23,3 % vektprosent salt. Figur 2-1 viser at for en konsentrasjon på 23,3 % gir en eutektisk temperatur på -21,1 o C. Figur 2-3, Fasediagram NaCl (Vaa, Sakshaug 2007) Figuren viser også at frysepunktet senkes ved å tilsette mer salt frem til det eutektiske punkt, men økes saltkonsentrasjonen over dette vil frysepunktet heves igjen. I vinterdriften er det viktig å operere med saltløsinger som ligger nært det eutektiske punkt, men ikke mindre. Dette medfører at ved lavere temperaturer innskrenkes grensene for saltinnhold (Svanekil 2007). For at natriumklorid skal kunne smelte is og snø må det tilføres energi. Et eksempel er varme, som kan komme fra luften gjennom innstråling eller fra vegkroppen. I følge Ihs og Möller (2000) kreves det dermed følgende for å smelte is og snø med kjemikalier: 1. Fukt for at saltet skal gå i løsning. 2. Energi for smelteprosessen. 3. Konsentrasjonen av saltet får ikke overstige det eutektiske punkt. Utprøving av alternative kjemikalier for vinterdrift av veger 7

26 Det ideelle temperaturintervall for salting er en vegbanetemperatur mellom 0,0 og -5,0 o C. Under gunstige forhold, ved stigende temperatur og lite nedbør, kan det saltes helt ned mot -10,0 o C. Over 1mm nedbør per time vil det kreves store mengder salt (Norem 2008). Natriumklorid som løses i vann splittes til positive natriumioner og til negativt ladede kloridioner. Når de positivt ladende natriumionene treffer den negative delen av vannmolekylet og de negativt ladende kloridionene treffer den positive delen av vannmolekylet, blir kraften i de motsatte retningene større enn bindingen som holder natrium og klorid sammen. Det dannes i stedet ionebindinger mellom saltet og vannmolekylene. Jo lavere temperaturen er desto tregere vil vannmolekylene forflytte seg og kraften som vil bryte bindingen blir svakere. Saltet vil dermed løses saktere opp. Det oppstår en kjemisk reaksjon når de kjemiske bindingene i saltet blir brutt og nye bindinger med vannet dannes (Animasjon: NaCl løst i vann, ). Den kjemiske reaksjonen er reversibel, fordi det er fortsatt mulig å fjerne vannet og sitte igjen med salt. Salt løst i vann får denne kjemiske likningen: NaCl s H 2O Na+ (aq) + Cl (aq) Som illustrert med figuren nedenfor danner vannmolekylet en hinne, rundt natriumionet og kloridionet, som forhindrer at det dannes ionebindinger som igjen ville gitt natriumklorid. Hvorvidt det er denne egenskapen som også gjør at snø som inneholder salt ikke lar seg kompaktere, er et interessant spørsmål. Men likeledes er det er spørsmål som denne oppgaven ikke tar for seg, men som vil opp til mer grundigere og dypere kjemiske analyser. Figur 2-4, Natriumklorid oppløst i vann (Animasjon: NaCl løst i vann, ) Det er mulig å beregne frysepunktnedsettelsen til natriumklorid i vann. Ved å blande inn 100g natriumklorid i 1 liter vann får vi denne teoretiske frysepunktnedsettelsen: Molvekt, salt M f = 58,5 g/mol Molalitet 100g/58,5 = 1,70 mol per kg NaCl i vann Na + og Cl - 2 * 1,70 = 3,41 mol T = - K f * m - 1,86 * 3,41 = -6,4 grader Vektprosent: (100/1100)*100 = 9 % Utprøving av alternative kjemikalier for vinterdrift av veger 8

27 Resultatet viser at ved å tilsette 100g natriumklorid til 1 liter vann vil det teoretisk gi en frysepunktnedsettelse på -6,4 o C. Vektprosent salt for denne løsningen er ni prosent. Med en avlesning mot fasediagram, figur 2-3, for natriumklorid er det en overensstemmelse over resultatet. Utregningen skal gi den samme frysepunktnedsettelsen som fasediagrammet. Verdien som fasediagrammet og utregningen gir er for når første molekyl fryser. Fullerton m.fl. (1994) beskriver at utregninger gir en god omtrentlig verdi for frysepunktnedsettelsen til ideelle løsninger. For løsninger vil, som nevnt i punkt 2.2, bestemmelse av frysepunknedsettelse være avhengige av blant annet faktorer for utregning med høye konsentrasjoner og molekylære vekselvirkninger. Dette omtales ikke videre i rapporten. 2.4 Alternative kjemikalier Kostnader og miljøhensyn gjør det nødvendig å redusere saltforbruket. Alternative kjemikalier vil være en av mange måter å oppnå dette. En optimalisering og utvikling av alternative metoder vil være av stor samfunnsøkonomisk betydning. Dette er, som jeg beskriver innledningsvis, et av resultatmålene for Statens vegvesens etatsprosjekt SaltSMART (Statens vegvesen ). I dette delkapittelet beskrives egenskaper ved de alternative kjemikaliene sukker, Aviform og CMA Sukker Forsøk med forskjellige former for sukker har blitt prøvd ut ved flere anledninger. Amerikanerne har prøvd flere varianter og blandinger av melasse, som er et restprodukt fra sukkerproduksjon, sirup, sukkerbeter og rørsukker. I Europa er det spesielt Sverige som utmerker seg i utprøving av sukker. Her er det utført tester på blant annet sukkerbeter, melasse og sukker som tilsettes enzymer, for å oppnå like store mengder glukose (druesukker) og fruktose (fruktsukker). Det svenske arbeidet består også av forsøk med å blande sukker sammen med salt. Både sammen med tørt og befuktet salt. Et av Gustafsson og Gabrielssons (2006) motiv for innblanding av sukker i salt er for å nyttiggjøre at sukker har en suksessiv tilfrysning. Sukker vil forhindre en plutselig tilfrysning av vann eller snø på vegen. Sukrose Sukker (sukrose) er en organisk karbohydrat og har kjemisk formel C 12 H 22 O 11. Etter samtale med førsteamanuensis Bård Helge Hoff ( ) ved NTNU, institutt for kjemi, beskriver han hva som skjer når sukker løses i vann. Sukker ioniserer ikke i vann slik som natriumklorid. Sukkermolekylene holder seg dermed elektrisk nøytrale og leder ikke strøm slik som saltløsning. Sukkermolekylene frigjøres og fordeler seg ut i vannet. Sukkeret vil fordele seg jevnt ut i løsningen. Løsningen av sukker og vann er homogen. Sukrose i rent vann får denne likningen: C 12 H 22 O 11 s H 2O C 12 H 22 O 11 (aq) Ser vi på frysepunktnedsettelse til sukrose, slik som for natriumklorid, får vi dette resultatet. 100g sukrose løses i 1 liter vann: Molvekt, sukrose M f = 342 g/mol Molalitet 100g/342 = 0,29 mol per kg T = - K f * m - 1,86 * 0,29 = - 0,5 grader Vektprosent: (100/1100)*100 = 9 % Utprøving av alternative kjemikalier for vinterdrift av veger 9

28 I motsetning til natriumklorid vil ikke løst opp sukrose deles i to komponenter. Altså vil ni vektprosent sukrose kunne gi en frysepunktnedsettelse på -0,5 o C. Det gir en indikasjon på at det må benyttes betydelig større mengder sukrose for å oppnå de effektene som natriumklorid har. Sammenlignes resultatene mellom natriumklorid og sukker ser man også at reduksjonen i frysepunktet avhenger sterkt av hvor mange komponenter eller antall partikler som løses i vann, og ikke av hvor mange gram som løses. Sukker har en mye høyere molvekt i forhold til natriumklorid. Usikkerheten i utregningen er dermed stor fordi benyttet formel er for frysepunktnedsettelse med lav molalitet. For å oppnå like stor frysepunktnedsettelse som natriumklorid (-6,4 o C) vil det være nødvendig med overkant av 50 vektprosent sukker. T = - K f * m 1,86 * X = -6,36 grader X = 3,22 Molalitet Xg/342 = 3,22 mol per kg X = 1169 g Vektprosent (1101/2101)*100 = 54 % En teoretisk frysepunktnedsettelse på -6,4 o C vil kreve i overkant av 1100g sukker i 1 liter vann. Vektprosent sukker i løsningen blir da 54 %. I et annet teoretisk eksempel kan det regnes ut hvor mye sukker det må legges til for å oppnå samme frysepunktnedsettelse (-6,4 o C) når 30 % av saltmengden fjernes. Tas 30g ut av totalt 100g natriumklorid oppnås en frysepunktnedsettelse på -4,5 o C. For å oppnå differansen i frysepunktnedsettelsen må det tilsettes 351g sukker. Over ti ganger så mye sukker må tilsettes for å erstatte uttatt mengde natriumklorid i en liter vann. Figur 2-5, Fasediagram for sukker (Möller 2007) Fasediagrammet viser at en mettet sukkerløsning har sukkerinnhold rett under 70 % og et frysepunkt på -23 o C. Det er grunner til å være kritisk til kilden til diagrammet. Det er ikke mulig å finne frem til førstehåndskilden eller til informasjon om hvilken type sukker (sukrose eller glukose/fruktose) den presenterer. Det vil ha betydning for vurderinger av resultater i laboratoriedel i denne rapporten. Utprøving av alternative kjemikalier for vinterdrift av veger 10

29 Glukose/fruktose Sukrose er et disakkarid og er satt sammen av to molekyler. Disse to molekylene utgjør glukose og fruktose, som nevnt kan spaltes ut med enzymer. Men denne delingen kan også skje når sukrose hydrolyseres av fortynnede syrer i vann (Boyd, Morrison 1992). Sukker i løst i vann gir glukose og fruktose, se figur 2-6: Figur 2-6, Sukrose til glukose og fruktose (Produktinformasjon Sokeri auringo, ) En spalting av sukrose til like store deler glukose og fruktose kalles invertering. Invertsukker eller glukose-/fruktoseløsning vil teoretisk gi større frysepunktnedsettelse. Spaltingen medfører ikke at sukrose deles i ioner slik som natriumklorid, men deles i to molekyler. Glukose-/fruktoseløsning får dermed to ganger molaliteten til en sukroseløsning. Større molalitet skal dermed gi en større frysepunknedsettelse med samme molvekt. I samtale med Göran Gabrielsson ( ) beskriver han de siste erfaringer med glukose-/fruktoseløsning i Sverige. Selv om denne løsningen skal ha en større frysepunktnedsettelse enn sukrose, er det ingen merkbar forskjell i resultatene fra ulike tester som er utført med glukose-/fruktoseløsning. I samtalen med Bård Helge Hoff ( ) vurderes dette utsagnet. En grunn til at samme resultat registreres for sukrose og glukose-/fruktose kan ha med at sukrose får et surt miljø på vegen og likevel deles i to molekyl. Teoretisk vil sukrose deles ved svake løsninger med sur ph-verdi. Det kan tenkes at dette har påvirket resultatet som er målt ute på vegen. Figur 2-7 viser teoretisk frysepunktnedsettelsen for ulike mengder tilsatt natriumklorid og sukrose i en liter vann. Sammenligner vi denne teoretiske frysepunknedsettelsen, som er utregnet på bakgrunn av presentert fremgangsmåte, og fasediagrammet til sukker er det mulig å finne forskjeller. En frysepunktnedsettelse på -10 o C i henhold til figur 2-8 er 64,8 vektprosent sukrose. Fasediagrammet tilsier en frysepunktnedsettelse på -10 o C er mellom 40 og 45 vektprosent. Tre mulige årsaker til forskjeller er listet opp under. 1. Fasediagrammet beskriver egenskaper til glukose/fruktose og ikke sukrose. Utregninger viser at forskjellen i frysepunktnedsettelse er tilnærmet lik det forandringen i molalitet tilsier. 2. Forskjellen er grunnet med hensyn på ideelle løsninger, som ligger til grunn for utregning av teoretisk frysepunkt. Det knyttes også større usikkerheter for utregning av frysepunktnedsettelse for løsninger med høy molalitet. 3. Lav ph-verdi har ført til at fasediagrammet viser glukose/fruktose i stedet for sukrose. Altså feil som har oppstått bak utarbeidelsen av fasediagrammet. Utprøving av alternative kjemikalier for vinterdrift av veger 11

30 T, Grader Celsius T, Grader Celsius Masteroppgave ved NTNU, Gjermund Dahl Våren Teoretisk frysepunktnedsettelse i en liter vann -Tilsatt mengde [g] Tilsatt mengde i gram Sukrose Natriumklorid Figur 2-7, Teoretisk frysepunktnedsettelse for sukrose og natriumklorid, tilsatt mengde. Teoretisk frysepunktnedsettelse i en liter vann -Vektprosent % 20 % 40 % 60 % 80 % 100 % Vektprosent Sukrose Natriumklorid Figur 2-8, Teoretisk frysepunktnedsettelse for sukrose og natriumklorid, vektprosent. Utprøving av alternative kjemikalier for vinterdrift av veger 12

31 2.4.2 Aviform Aviform er et avisingsprodukt som er basert på kaliumformiat. Aviform, som produseres av ADDCON Nordic As i Norge, selges med tilegnet bruksområde for avising av rullebaner. Kaliumformiat er likevel også et like aktuelt kjemikalie til å motvirke isdannelse og smelte is på veg. Kaliumformiat har kjemisk formel KCOOH. Teoretisk frysepunktnedsettelse for kaliumformiat gir dette resultatet: Molvekt, aviform M f = 84,12 g/mol Molalitet 100g/84,12 = 1,19 mol per kg KCOOH i vann H og KCOO - 2 * 1,19 = 2,38 mol T = - K f * m -1,86 * 2,38 = - 4,24 grader Vektprosent: (100/1100)*100 = 9 % Resultatene viser at ved å tilsette 100g kaliumformiat til 1 liter vann får vi en frysepunktnedsettelse på -4,24 o C. For natriumklorid gav tilsvarende mengde en frysepunktnedsettelse på -6,4 o C. For å erstatte natriumklorid med kaliumformiat må man dermed bruke større mengder for å oppnå like god effekt. En usikkerhet i utregninger er for hvordan kaliumformiat løses i vann. Det har ikke vært mulig å finne ut hvordan kaliumformiat løser seg i vann. Utregningen tar utgangspunkt i at kaliumformiat ioniserer seg til to ioner. Det er vanskelig å finne relevant litteratur om kaliumformiat som et kjemikalie til bruk i vinterdrift. Men sammenligner vi natriumklorid med kjemikaliet natriumformiat, er det mulig å vurdere noen egenskaper til formiat. Natriumformiat har en frysepunktnedsettelse på -18 o C ved en konsentrasjon på 25 %, mot -21 o C ved 23 % for NaCl. Formiat har molvekt på 45,02, mens klorid har molvekt på 35,45. Formiat har dermed større molvekt enn klorid, slik at natriumklorid har størst frysepunktnedsettelse. Kalium har molvekt på 39,09, mens natrium har molvekt på 22,99. Frysepunktnedsettelsen er størst for natrium. Kaliumformiat vil ha et lavt frysepunkt, men ikke større enn for natriumklorid. Det kan tyde på at formiat gir gode frysepunktegenskaper, fordi natriumformiat har tilnærmet lik frysepunktnedsettelse som natriumklorid. Dette bekreftes også en foreløpig frysepunktskurve presentert av Palmer (1987). Den indikerer at fryspunktskurven for natriumformiat er nesten identisk som for natriumklorid ned til -14 o C. De mest aktuelle kaliumformiat som er på markedet er Aviform L50 og S-solid, Safeway KF, Clearway F1, Kilfrost Runway og Meltium CMA Calsium-magnesium-acetat (CMA) er av de kjemiske alternativene til natriumklorid som er testet og brukt i stor grad. Studier fra USA ble gjennomført allerede på slutten av 1970-tallet, for å finne alternativer til NaCl. Utviklingen og prøvingen har senere blitt utført i USA og Sverige på 1980-tallet og på 90-tallet i Norge (Statens vegvesen 1995). CMA er basert på en reaksjon mellom et basisk materiale, dolomittkalkstein, og eddiksyre. Blandingen av CaAc og MgAc produseres gjennom en kjemisk prosess og danner Ca x Mg y Ac 2(x+y), hvor x = 3 til 4 og y= 7 til 6. Ac er en forkortelse for CH 3 COO. Utprøving av alternative kjemikalier for vinterdrift av veger 13

32 Det eutektiske punkt for CMA er en konsentrasjon på % ved -26 o C. Frysepunktnedsettelsen til CMA varierer avhengig av forholdet Ca/Mg. Laveste og optimale temperatur frysepunktnedsettelsen oppnås ved forholdet 3/7 2/8 for Ca/Mg. Forholdet er regnet i mol (Gustafson 1995). På figuren nedenfor ser vi fasediagrammet for rent CMA, samt andre rene kjemiske løsninger. Figur 2-9, Fasediagram for CMA og andre kjemiske løsninger (Ketcham, Minsk, Blackburn 1996). Transportation Research Board (1991) viser til at: Den teoretiske mengden av CMA i forhold til salt det trengs for å sammenligne issmelteegenskaper er 1,7 til 1 i vekt. Forholdet er basert på krav (for ideelle løsninger) for lik konsentrasjon av ioner som natriumklorid for frysepunktnedsettelse. Dette medfører dersom om CMA skal erstatte en mengde salt, vil det være nødvendig med en mengde CMA større enn mengde salt som skal erstattes. Eksempelvis vil 50g natriumklorid erstattes med 85g CMA for å oppnå like issmelteegenskaper. Utprøving av alternative kjemikalier for vinterdrift av veger 14

33 3 Tidligere forskning med alternative kjemikalier Erfaringer og effekter som er gjort med de ulike kjemikaliene sukker, kaliumformiat og CMA presenteres under to delkapiteler. Første del inneholder tidligere erfaringer fra laboratoriearbeid. Andre del inneholder tidligere erfaringer som er blitt tilegnet under feltforsøk. 3.1 Laboratorieforsøk Sukker Laboratorieforsøk gjort av Danisco for en 50/50 salt og sukkerløsning viser at sukker har en frysepunktnedsettende effekt, samt en suksessiv tilfrysning mellom -5,0 o C og -8,0 o C (Möller 2007). I samtale med Göran Gabrielsson ( ) beskriver han erfaringer med ulike blandinger av sukker og salt. En mettet sukkerløsning vil kunne gi en frysepunktnedsettelse mellom -15 og -20 o C. Men Gabrielsson beskriver at det ikke lar seg løse mer enn 40 til 50 % før løsningen blir seig og klabbete. En 40 til 50 % løsning vil ha en frysepunktnedsettelse på -10 o C. Dette ser vi ut fra fasediagrammet til sukker under punkt Anbefalt blanding for salt og sukker er 70/30 for både tørt og i løsning med mettet 23 % saltløsning. Frysepunktnedsettelsen for en 40 til 50 % sukkerløsning, i et forhold 70/30 salt og sukker, oppgir Gabrielsson til størrelsesorden -30 o C. Stefan Jacobsson (Gustafson,Gabrielsson 2006 og Möller 2007) påviste også at betemel fra sukkerproduksjon har en høy hygroskopisk evne og tar til seg store mengder vann. Fra rapporten til Gustafson og Gabrielsson beskrives det: Vid fryspunktssänkning kan 20 % av natriumkloriden ersättas med fem gånger så mycket vikt sockerbetspulver. Sockerbetspulver har dålig smältkapacitet, däremot en god absorptionsförmåga. Absorption av vatten kan öka effekten av natriumklorids smältförmåga i en blandning. (Gustafsson og Gabrielsson, 2006:12). Ut i fra egne utregninger for sukrose må det tilsettes i overkant av 10 ganger så mye sukrose for å oppnå samme frysepunktnedsettelse for å erstatte 30 % natriumklorid. Utregningen er vist i vedlegg 1. Melasse kan også brukes som sukkerløsning. Sukkerinnholdet varierer mellom 40 til 50 % avhenging av produksjon. Nøyaktig sukkerinnhold kan måles ved hjelp av ATAGO pocket cat 3830 pal 3, opplyser Göran Gabrielsson. Melasse brukes fordi den er lett tilgjengelig på markedet i større mengder. Gjennom litteratursøkingen har det ikke latt seg finne forsøk som er i henhold til Strategic Highway Research Program (SHRP) sine tester for sukker eller blandinger av sukker og salt. Sukker er et relativt nytt materiale for bruk i vinterdrift og det kan dermed tenkes at tester ikke er blitt utført. Det har også vært rettet større fokus mot sukker som frysepunktnedsetter enn for egenskaper som for eksempel smeltekapasitet eller underkutting. Framstilling av glukose-/fruktoseløsninger er i Sverige gjort med enzymer. Produksjonen med bruk av enzymer er kostbar. På bakgrunn av tilsvarende resultater for bruk sukrose og større kostnader er det ikke utført videre testing av glukose-/fruktoseløsning til bruk i vinterdrift på svenske veger. Resultatene samsvarer kanskje fordi sukrose har delt seg til glukose/fruktose grunnet et surt miljø på vegen. Et surt miljø kan tenkes å gi en deling av sukrose. Utprøving av alternative kjemikalier for vinterdrift av veger 15

34 Aviform Laboratorieforsøk utført av VTI (Öberg, Gustafson, Axlelson 1991) på smeltekapasitet viser at natriumformiat hadde større smeltehastighet og -effekt enn natriumklorid. Natriumklorid hadde derimot større total smeltekapasitet. Forskjellen i smelteeffekt begrunnes med at formiat har mindre kornstørrelse og gikk dermed fortere i løsning. Det kan antas at kaliumformiat vil ha en stor smelteeffekt, men mindre smeltekapasitet enn natriumklorid på bakgrunn av formiatets egenskaper. CMA Egenskapene til CMA er godt testet i laboratoriet, i forhold til sukker og kaliumformiat. Laboratorieundersøkelser gjort i Norge i 1995 fant man ut smelteeffekten til rent CMA og ulike blandinger av CMA og salt (Statens vegvesen 1995). Resultatene fra smeltetestene viser at natriumklorid har klart bedre evne til å smelte is enn CMA. Forskjellen er størst innenfor 60 minutter, mens forskjellen utjevnes noe når materialene får virke over lengre tid. Resultatene viser også at CMA bidrar til å forsinke og/eller redusere saltets smelteegenskaper. Svenske resultater viser at CMA kan brukes i samme temperaturintervall som natriumklorid samtidig som smelteeffekten er betydelig dårligere. De anbefaler dermed å bruke CMA preventivt. (Gustafsson 1995). Ihs og Gustafson (1996) sine resultater fra laboratorieforsøk viser også at CMA har dårligere smelteeffekt enn natriumklorid. Men en blanding av CMA og NaCl, 20/80, gav tilnærmet like god smelteeffekt som rent natriumklorid. Som nevnt i punkt er frysepunktnedsettelsen til CMA avhengig av forholdet Ca/Mg. Smelteeffekten varierer ikke i like stor grad med dette forholdet, men heller etter formen på partiklene, størrelse og densitet. CMA som skal utprøves i dette arbeidet har et forhold på 3/7 for Ca/Mg etter molvekt. Datablad for Cryotech CMA ligger som vedlegg Feltforsøk Sukker Resultater fra friksjonsmålinger gjort i Sverige ved forskjellige forhold, viser at en blanding av 25 % glukose-/fruktoseløsning og 75 % saltløsning har samme egenskaper som en mettet 23 % saltløsning. Om det kun tas hensyn til friksjon kan det dermed hevdes at det er fullt mulig å erstatte 25 % av saltmengden med glukose/fruktose (Gustafsson og Gabrielsson, 2006). Resultater viser også at det er mulig å erstatte inntil 50 % av saltmengden med sukker. Dette er på bakgrunn av forsøk med friksjonsmålinger med 50/50 sukker og tørt og befuktet salt. Tilførsel av glukose-/fruktoseløsning har ikke hatt noe nevneverdig effekt på friksjonen på snø eller isdekket veg. Gustafsson og Gabrielsson (2006) anbefaler videre testing av salt-sukkerløsninger. Anbefalingene gjelder tester både for tørt materiale under regnbyger, befuktet materiale på snø og isdekket veg og preventivt som løsning. I samtale Gabrielsson anbefaler han videre forsøk med blandingen 70/30 salt-sukker. Aviform Produsenten ADDCON oppgir på sine hjemmesider anbefalinger for bruk av Aviform. Det skilles her mellom Aviform L50 og S-solid. L50 er merkenavnet for 50 % flytende kaliumformiat. Frysepunket oppgis til under -50 o C. Aviform L50 bør ikke brukes direkte på is- eller snølag som er større enn 3 mm (Produktinformasjon Aviform L50, ). Mekanisk fjerning må i tilfelle benyttes først. Midlet kan også benyttes preventivt for å hindre at snø og is binder seg til underlaget. ADDCON har Utprøving av alternative kjemikalier for vinterdrift av veger 16

35 også utarbeidet anbefalt bruksdosering. Mengde anbefalt varierer fra 15 25g/m 2 for islag mindre enn 1mm ved temperaturer mellom 0,0 og -5,0 o C og 40 60g/m 2 for snø eller islag mellom 1 og 3mm ved temperaturer mellom -5,0 og -10 o C. S-solid er merkenavnet for 97 % natriumformiat og vil dermed ikke være av interesse i denne rapporten. Det kan likevel nevnes for eventuell testing at natriumformiat vil ha mindre molvekt enn kaliumformiat, og dermed større frysepunktreduserende effekt. (Molvekt for natriumformiat er 68 g/mol.) CMA Det er utført flere feltforsøk med CMA. Sammenlignet med natriumklorid er CMA mindre effektiv og har en tregere virkning ved lave temperaturer, under -5,0 o C. Virkningen av CMA er også dårligere på frossen bakke eller ved underkjølt regn, snøstorm og ved liten trafikk. Riktig timing er derfor avgjørende for å oppnå like gode resultater som natriumklorid (Transportation Research Board 1991). Feltforsøk viser at CMA effektivt penetrerer lettpakket snø og forebygger at is binder seg til underlaget. CMA fungerer også preventivt og forhindrer bindinger i snø og is, og har en evne til å feste seg til underlaget slik at det kreves færre tiltak på vegen. Den beste egenskapen til CMA, når det sammenlignes med natriumklorid, er dens preventive effekt. Likevel har tiltak med CMA generelt mindre effekt og langsommere virkning enn natriumklorid (Transportation Research Board, 1991). Manning og Perchanok (1993) beskriver like resultater i sin rapport om feltforsøk med CMA. Underkuttingsegenskapene til CMA er dårligere sammenlignet med natriumklorid (Alger, Beckwith, Adams 1994). Rent CMA må benyttes i større mengder enn natriumklorid. Som nevnt i kapittel er teoretisk mengde 1,7 til 1 for salt. Feltforsøk indikerer at mellom 20 til 70 % mer CMA er nødvendig. Rent CMA som strømiddel har god virkning ved rim på vegen og ved våt vegbane som fryser til. 20g CMA per m 2 ga tilfredsstillende virkning. Under snøvær er det nødvendig å øke mengden til 40g/m 2 (Statens vegvesen 1995). Resultater fra feltforsøk der CMA er blandet med salt (20/80 vekt %) viser ingen vesentlige forskjeller i vikningen med rent salt. Det registreres også at vegen ikke blir like fuktig ved bruk av CMA blandet med salt sammenlignet med rent salt. Friksjonsmålinger viser heller ingen betydelig forskjeller (Ihs, Gustafson 1996). CMA/saltløsning ble ikke observert til å vare lenger enn rent natriumklorid. Utprøving av alternative kjemikalier for vinterdrift av veger 17

36 Utprøving av alternative kjemikalier for vinterdrift av veger 18

37 4 Laboratorieforsøk Dette kapittelet beskriver forsøkene som ble utført i laboratorium. Første delkapittel orienterer generelt om laboratorieforsøkene. De resterende delkapitlene beskriver de ulike testene som ble gjort. I hver test presenteres hensikten med testen, utstyret som ble benyttet, testprosedyren, resultater og en diskusjon som også inneholder eventuelle feilkilder. 4.1 Orientering om laboratorieforsøkene Laboratorieforsøkene ble utført for å se på kjemikalienes tekniske egenskaper som er bakgrunnen for å oppnå det resultatet som ønskes i praksis, nemlig en svart og bar veg. For å kunne teste ulike egenskaper var det nødvendig å utarbeide egne fremgangsmåter og prosedyrer utover de tester som allerede er standardisert etter blant annet SHRP. Testene vil kunne gi relevant informasjon om kjemikalienes ulike virkninger som ønskes utnyttet i vinterdriften av veger. Det ble utført totalt tre typer forsøk. Det første forsøket inneholdt frysepunktnedsettelse. Det andre forsøket inneholdt tre tester for kompaktering av snø tilsatt kjemikalier og det tredje forsøket bestod av en smeltekapasitetstest. Testen for frysepunktnedsettelse ble utført etter beskrivelsen til testapparaturen. Testene for kompaktering ble gjort etter egendefinerte prosedyrer på bakgrunn av nærliggende eksisterende standarder. Testen for smeltekapasitet er best mulig tilpasset de prosedyrene som er beskrevet i SHRP-rapportene. Natriumklorid ble benyttet som referanse og som et utgangspunkt for beskrivelse av resultatene til de alternative kjemikaliene. Der det ble aktuelt ble også snø uten tilsatte kjemikalier benyttet som utgangspunkt. Laboratorieforsøkene ble utført i veglaboratoriets klimarom ved NTNU. Snø til forsøkene ble innhentet den 12. februar Åtte kasser ble fylt med nysnø. Snøen ble så satt i klimarommet ved -5,0 o C til testene skulle utføres. Klimarommet har en nøyaktighet på ±0,5 o C. Størrelsen på rommet er m 2, avhengig av hva som oppbevares i rommet. Det er variasjoner i kornstørrelse til de tørre kjemikaliene. Kornstørrelsen vil kunne ha innvirkning på forsøkene, spesielt i tilknytning til smeltekapasitetstesten. De tørre kjemikaliene er blitt benyttet i den fraksjonen de blir levert i. Det ble benyttet Cryotech CMA som inneholder minimum 96 % CMA. Det ble benyttet Aviform L50 som ble beskrevet i punkt 3.2. Når det i laboratorieforsøkene benyttes natriumklorid er dette salt produsert av Jozo. Det ble benyttet Jozo salt, uten jod, med minimum 99,8 % rent natriumklorid. Det ble benyttet Dansukker som er 99,9 % rent sukker. For de laboratorieforsøkene der det ble gjort mer enn tre serier ble det beregnet standardavvik. Standardavviket er et mål for spredningen i observasjonsserien. Beregninger og annet underliggende materiell ligger på tilhørende CD til denne besvarelsen. Utprøving av alternative kjemikalier for vinterdrift av veger 19

38 4.2 Frysepunkt for alternative kjemikalier Som en innleding til testene ble den teoretiske frysepunktnedsettelsen til de ulike kjemikaliene målt. Dette gjorde det mulig og videre kontrollere opp mot fasediagrammet for de ulike vektprosentene. Det vil være avvik i målingene fordi fasediagrammet oppgir verdien for når første molekyl fryser, mens testapparaturen som ble benyttet oppgir frysepunktet for når en bestemt andel av løsningen fryser til. Apparatet vil på den måte gi den beste indikasjonen på når det fryser til på vegen. Den teoretiske frysepunktnedsettelsen for de ulike kjemikaliene ble testet opp mot målinger med apparatur FBOX. Dette apparatet inneholder en bærbar vegsensor. FBOX fryser den aktuelle løsningen av kjemikaliet og registrerer frysepunktet Hensikt Hensikten med denne testen er å finne frysepunktet til løsninger av de aktuelle kjemikaliene og sammenligne med teoretisk frysepunkt og fasediagrammene. Apparatet eller bruksanvisning sier ikke noe om når frysepunktet registreres i gjenfrysingsprosessen Utstyr Frensor FBOX (Produktinformasjon FBOX, ) Springvann og destillert vann Målesylinder 400ml Målesylinder 10ml Vekt med nøyaktighet på hundredelsgram Blandemaskin med magnet Sprøyte, over 10ml Papir Skje Kniv, eventuelt dråpeteller Arbeidsbord i vater Kjemikalier: Natriumklorid, Sukker, Aviform L50 og Cryotech CMA Testprosedyre Kalibrering av FBOX FBOX ble rengjort med rent vann og tørket med papir før den ble kalibrert. Apparatet kalibreres med rent/destillert vann der avlesning for frysepunkt er mindre enn -1,0 o C eller 0,0 o C, flere ganger. For optimalt resultat bør det ventes 30 sekunder mellom hver måling. En serie av fem kalibreringer gav alle 0,0 o C for rent vann. Kjemikalieforberedelser Natriumklorid, sukker og CMA ble hver løst i 400ml rent vann for ulike vektprosent. Det ble gjort utregninger for hvor mye kjemikalier som skulle tilsettes. Denne mengden ble veid opp ved hjelp av vekten før kjemikaliene ble tilført vannet. Før hver løsning ble testet for frysepunkt ble de rørt ut med magnet-blandemaskinen til kjemikaliene var helt løst opp i vannet. Aviform som er i væskeform, ble blandet ut med destillert vann for å oppnå riktig vektprosent. Utprøving av alternative kjemikalier for vinterdrift av veger 20

39 Fremgangsmåte Frysepunktet til natriumkloridløsning ble målt først. Følgende vektprosent natriumklorid ble testet: 1 %, 3 %, 5 %, 10 %, 15 % og 20 %. Tre dråper ble tilført sensoren ved hjelp av en kniv, som ble vasket med destillert vann og tørket mellom hver måling. Bilde 1, FBOX For hver vektprosentløsning ble det utført fem målinger. For flere registreringer var det nødvendig å redusere mengden væske på sensoren til én dråpe. Dette ble gjort fordi apparatet ikke klarer å fryse større mengder med væske som har lavt et frysepunkt. Apparatet tar time-out om målingen av frysepunktet ikke oppnås etter en gitt tid. Registreringer for de ulike vektprosentløsningene ble avsluttet når apparatet ikke klarte å registrere frysepunktet. For sukker ble registreringene startet med 20 % sukkerløsning, som teoretisk ville gi en frysepunktnedsettelse under -1,0 o C. For løsninger over 30 % sukkerløsning tok det lang tid for at alt sukkeret skulle løse seg opp. 45 % sukkerløsning lot seg først ikke måle med FBOX, fordi det tok for lang tid å registrere frysepunktet. Men etter en natt i klimarom ved temperatur -5,0 o C, ble frysepunktet registrert. Jeg vet ikke grunnen til dette, men antar at væsken ville holdt lavere temperatur slik at apparatet klarte å registrere frysepunktet. For Aviform ble det utført målinger med samme vektprosent som for natriumklorid. For CMA var det mulig å registrere frysepunktet opptil 25 vektprosent. Cryotech CMA inneholder 96 % CMA. Omregning ble utført slik at tilsatt mengde ville gi en 100 % CMA-løsning. CMA tok enda lenger tid for å løse seg opp i vann enn sukker. Det kan tenkes at CMA vil løses sakte opp på vegen og at et tiltak med CMA vil ha lang virkning. Løsningen av CMA ble hvitgul og skummet som på figuren under. Det var kun mulig å registrere to målinger for 25 vektprosent CMA. Bilde 2, CMA, 15 % løsning Utprøving av alternative kjemikalier for vinterdrift av veger 21

40 Grader Grader Masteroppgave ved NTNU, Gjermund Dahl Våren Resultat Natriumklorid 0 % 10 % 20 % 30 % 40 % 50 % 0,0-2,0-4,0-6,0-8,0-10,0-12,0-14,0 Målt Teoretisk Figur 4-1, Frysepunktnedsettelse natriumklorid, (teoretisk lavest ved -21,1 o C). Teoretisk og målt frysepunktnedsettelse ble tilnærmet like for natriumklorid. Resultatene samsvarer med resultater fra Rekstad og Hardarsson (2005) og med fasediagrammet til natriumklorid. Avvik antas å ha med apparatets registrering av målte frysepunkt og det teoretiske for når første molekyl fryser. Det ser ut til at apparatet registrerer noe lavere frysepunkt enn teoretisk. Det kan da antas med rimelig sikkerhet at apparatet registrerer frysepunktet etter at første molekyl fryser. Sukker 0 % 10 % 20 % 30 % 40 % 50 % Målt Teoretisk Figur 4-2, Frysepunktnedsettelse sukker Målt frysepunkt for sukker ble lavere enn teoretisk. Årsakene til variasjon som ble presentert tidligere i punkt kan ut i fra denne testen diskuteres. Det er mest sannsynlig at avviket skyldes utregning av frysepunktnedsettelse for ideelle løsninger og ikke feil med fasediagrammet. Det ble også gjort et forsøk med destillert vann, for å avkrefte om eventuelle ph-variasjoner i rent Utprøving av alternative kjemikalier for vinterdrift av veger 22

41 Grader Celsius Grader Masteroppgave ved NTNU, Gjermund Dahl Våren 2009 springvann gjør utslag. For en destillert 40 % sukkerløsning var forskjellen i frysepunktnedsettelse i gjennomsnitt 0,2 o C. Det forventes at bruk at sukkerløsning, som kan benyttes på veg, dermed kan lages med rent springvann uten at det vil gi noe variasjon i frysepunktnedsettelsen. Saltblandinger 0 % 10 % 20 % 30 % 40 % 50 % 0,0-2,0-4,0-6,0-8,0-10,0-12,0-14,0 Rent salt 70/30 salt - sukker Figur 4-3, Saltblandinger Frysepunktnedsettelsen til rent salt og blanding 70/30 salt-sukker ble tilnærmet like i dette forsøket. Resultatene er dermed i overensstemmelse med svenske registreringer at mellom 20 til 50 % salt kan erstattes med sukker, selv om de registreringene kun er ut i fra friksjonsbetraktninger. 0,0-2,0-4,0 0 % 10 % 20 % 30 % 40 % 50 % Målt frysepunktnedsettelse Salt - Natriumklorid, 99,8 % minimum -6,0 Sukker - Dansukker, 99,9 % -8,0-10,0-12,0-14,0 Vektprosent Aviform - kaliumformiat, 50 wt % (+/- 1 wt %) Hydrated CMA + other acetates, 96% minimum 70/30 salt - sukker Figur 4-4, Målt frysepunktnedsettelse med FBOX. Utprøving av alternative kjemikalier for vinterdrift av veger 23

42 Av figur 4-4 er det mulig å se at frysepunktnedsettelsen for natriumklorid, CMA, Aviform og 70/30 salt-sukker er tilnærmet lik. Figuren antyder at Aviform er det mest effektive kjemikaliet for frysepunktnedsettelse. Av figur 2-9 følger CMA og natriumklorid også tilnærmet samme frysepunktnedsettelse. Som også mine utregner tilsier må det benyttes betraktelig større mengder sukker for å oppnå samme frysepunktnedsettelse. Det må benyttes mer CMA enn natriumklorid. Målt frysepunktnedsettelse for CMA følger fasediagrammet Diskusjon Forsøket viser at tilsetting av kjemikalier har en frysepunktreduserende effekt. Kjemikaliene som er produsert som et alternativt kjemikalie til natriumklorid har tilnærmet tilsvarende frysepunktnedsettelse. Aviform ble registrert til å ha noe større effekt enn natriumklorid. Ut i fra det teoretiske grunnlaget skulle natriumklorid hatt større frysepunktnedsettelse på bakgrunn av mindre molvekt. Forskjeller vil mest sannsynlig ligge i hvordan de alternative kjemikaliene løser seg i vann. Det kreves noe større mengder CMA enn natriumklorid for å oppnå samme virkningsgrad. Det er i samsvar med de amerikanske feltforsøkene. Det ble også registrert at CMA fikk en gul skummet væske når pelletsene ble løst i vann. Sukker har også en frysepunktreduserende effekt. Mengden sukker som må tilsettes er betydelig større enn for de andre kjemikaliene. Kostnadene ved å benytte sukker vil dermed også være store dersom kun sukker skal benyttes. Men på salt-/sukkerblanding, der 30 % erstattes med sukker, oppnås samme frysepunktreduserende effekt i denne testen. Om totale samfunnsøkonomiske kostnader betraktes vil det være mulig å vurdere om den ekstra kostnaden med å benytte sukker er mindre enn miljøkostnadene med kun bruk av natriumklorid. Utprøving av alternative kjemikalier for vinterdrift av veger 24

43 4.3 Kompaktering av snø tilsatt kjemikalier Det ble totalt utført tre forsøk for å beskrive kompakteringsegenskapene til snø som tilsettes kjemikalier. Det ble utført en kuletest, en konustest og en test med kompaktering av snø til veg. I disse forsøkene blir ordet kompaktering benyttet for å beskrive egenskaper ved snøen. Med kompaktering menes i denne forbindelse, snøens fasthet eller kramhet og ikke evnen til variasjon i tetthet. Skjærstryke vil således best kunne beskrive kompakteringsevnen til snøen. I litteraturen benyttes flere ulike begrep om snøens kompakteringsegenskaper. De to mest brukte er kompaktering og komprimering, som i teorien betyr det samme. Ved at et materiale trykkes sammen vil man få økt tettet og styrke. Eksempelvis ved triaks-forsøk på jord. Økningen i tetthet og styrke kan måles her. Men det er altså ikke den økte tettheten som vurderes i dette arbeidet. Det som vurderes er variasjon i styrken til snøen tilsatt kjemikalier uavhengig av hvilken betegnelse dette har i litteraturen. Det er tidligere utført tester for å måle styrkeegenskaper til snø. Colbeck, Shaw, Lemieux (1978) har studert kompresjon av våt snø. I prosedyrene til dette forsøket ble våt snø pakket i en sylinder, som så ble tilført last. Et av eksperimentene som ble utført viste effekten av å endre tilsatt saltinnhold. Tilførselen av salt i denne testen var for å måle variasjonen i tettheten, Mg/m- 3, for snø tilsatt last over tid. Resultatene viser at tettheten reduseres med saltinnholdet. Mellor (1964) beskriver også ulike tester som er gjort for å beskrive egenskapene til snø. Blant annet beskrives kompresjon og skjærstyrke til snø. Det er utført tester der ulike typer snø (nysnø, kornete snø og våt snø) er forsøkt penetrert med ulike typer plater og koniske vekter under hurtig belastning (rapid loading). Mellor beskriver at det er gjort tester der laster er sluppet på snø. Ulike koniske tester som er brukt for å beskrive styrkeegenskaper er Swiss rammsonde og The Alta drop cone penetrometer. Drop cone penetrometer er en metode der et konisk lodd slippes ned i en sylinder med snø. Egenskaper for snø som tilsettes last er også beskrevet av Mellor. Både med vedvarende konstant last og økende last over tid. Det er beskrevet tester for å bestemme styrken på våt snø, utført av Wakahama og Mizuno (1979), i artikkelen Studies on Tensile Strenght of Wet Snow. Det benyttes et apparat som presser våt snø for å måle strekkstyrke til snø inn i ulike materialer. Plater av ulik materiale blir presset ned i snøen med en konstant hastighet til et konstant trykk oppnås. Lang og Harrison (1994) har utført triaksialforsøk på tørr, naturlig, snø. Dette ble utført med samme teknikk for testing av mekaniske egenskaper til jord. Resultatene gir retningslinjer for belastning av tørr snø. Disse testprosedyrene er de mest relevante for min undersøkelse av kompakteringsegenskaper. De er dermed en viktig del av bakgrunn for utarbeidelsen av prosedyrer for egne tester. I tillegg er det ISO standarder som er relevante. De aktuelle ISO standardene er for geotekniske undersøkelser og tester, men fremgangsmåten vil kunne benyttes i mine tester. Utprøving av alternative kjemikalier for vinterdrift av veger 25

44 ISO standarder: NS-EN ISO :2005 Geotekniske felt- og laboratorieundersøkelser - Feltundersøkelser - Del 3: Standard nedtrengningsprøving (standard penetration test) ISO/TS :2004 Geotechnical investigation and testing - Laboratory testing soil - Part 6: Fall cone test ISO/TS :2004 Geotechnical investigation and testing - Laboratory testing of soil - Part 9: Consolidated triaxial compression tests on water-saturated soils Kuletest Hensikt Hensikten med denne testen er å se på kjemikalienes egenskaper til å hindre bindinger i snø, ved hjelp av kvalitative og kvantitative beskrivelser. Testen vil dermed kunne gi informasjon om hvorvidt tilsetting av alternative kjemikalier vil føre til at snø ikke lar seg kompaktere og om det dermed kan oppnås bedre effekt ved mekanisk fjerning. Testen tar utgangspunkt i de alternative kjemikalienes målte frysepunktnedsettelse, som ble presentert i kapittel Resultatene fra testen presenteres kvantitativt for penetrasjonsdybden i snøen og for den hulldiameteren kula lager. I tillegg ble det gjort observasjoner som vil beskrive hva som skjedde når snøen ble tilsatt kjemikalier Utstyr Seks rør med diameter 150mm og høyde på 150mm Et rør av 150x150mm til fylling av snø Kule på 66,8g Fire runde lodd på 2,3kg Fire runde plater som passer i rørene, som loddet kan ligge på Pleksiglassrør som kan monteres på rørene, med hull for hver femte centimeter Plant bord med plastunderlag Vekt med nøyaktighet på hundredelsgram Plastskje Plastbeger til de tørre kjemikaliene Skyvelær Målestokk Fire store skåler til oppmåling og blanding av snø benyttet tilbøyde aluminiumskar Klokke Plasthansker, fortrinnsvis med fór Kjemikalier: Natriumklorid, Sukker, Aviform L50 og Cryotech CMA Utprøving av alternative kjemikalier for vinterdrift av veger 26

45 Testprosedyre Forberedelser Selv om Vaa og Sakshaug (2007) utrykker at det ideelle temperaturintervall for salting er en vegbanetemperatur mellom 0,0 og -5,0 o C, ble temperaturen i klimarommet senket til -6,0 o C under denne testen. Dette ble gjort fordi det ikke er spesifikt ønskelig å se på kjemikalienes smelteegenskaper i denne testen. Temperaturen i klimarommet var dermed lavere enn den frysepunktnedsettelsen kjemikaliene skulle testes for. Ved en temperatur på -6,0 o C hadde også gjenstandene og utstyret som ble benyttet i klimarommet mindre risiko for å gi utslag på testen. Kontakt mellom blanding av snø og kjemikalier og varmt utstyr ville fort kunne tilføre store mengder energi slik at blandingene ville startet å smelte. Fremgangsmåte Testen tar utgangspunkt i de alternative kjemikalienes målte frysepunktnedsettelse for henholdsvis -2,0 og -4,0 o C. Tilsatt mengde kjemikalier ble veid opp i forhold til vektprosent snø. Snøen ble veid opp i aluminiumskarene. Det ble gjort forsøk med 0,5 kg snø. Deretter ble kjemikaliene tilsatt snøen, og gjennom å kna kjemikalene inn i snøen med hendene ble de blandet godt. Snøen ble så lagt i røret, og ble presset ned ved hjelp av en rund plate, før det ble lagt på et lodd. Etter en time ble platen med loddet snurret en runde, slik at eventuell snø som kunne ha satt seg fast på platen løsnet. Deretter ble pleksiglassrøret montert på røret. Kula ble sluppet fra tiltenkt høyde, i denne testen totalt 60cm over bordet (rørhøyde 15cm pluss pleksiglassrør 45cm). Se bilde 3 for modell og prototype av kuletesteren. Etterpå ble kula forsiktig fjernet ved hjelp av en plastskje (en sterk magnet vil kunne gjøre samme nytte). Deretter ble plastrøret fjernet før det ble utført måling av penetrasjonsdybden med målestokk og diameteren på hullet med skyvelær. Bilde 3, Modell og prototype Utprøving av alternative kjemikalier for vinterdrift av veger 27

46 Centimeter Centimeter Masteroppgave ved NTNU, Gjermund Dahl Våren Resultat Kvantitative resultater 3,0 2,5 2,0 1,5 1,0 0,5 0,0 Penetrasjon i 0,5 kg snø -2,0 grader -4,0 grader Figur 4-5, Penetrasjon av 0,5 kg snø tilsatt kjemikalier, ved ulik frysepunktnedsettelse. Penetrasjonstesten gav noe ulike resultater for de ulike snøblandingene. Men resultatene ble for små til at det kan konkluderes noen forskjell mellom de ulike kjemikaliene og ved de ulike frysepunktnedsettelsene. Blandingen med sukker gav noe større penetrasjon, men dette kan være på grunn av den store mengden tilsatt sukker. 3,0 2,0 1,0 0,0 Hulldiameter i 0,5 kg snø -2,0 grader -4,0 grader Figur 4-6, Hulldiameter i 0,5 kg snø tilsatt kjemikalier, ved ulik frysepunktnedsettelse. Som figuren viser ble hulldiameteren lik for testene med frysepunktnedsettelse på -2,0 og -4,0 o C. Hulldiameteren ble aldri større enn diameteren på kula. Slik at resultatene på penetrasjonen og hulldiameteren viser at kula aldri forsvant helt ned i snøen. De kvantitative resultatene gav dermed Utprøving av alternative kjemikalier for vinterdrift av veger 28

47 Grader Celsius Masteroppgave ved NTNU, Gjermund Dahl Våren 2009 ingen store forskjeller mellom de ulike kjemikaliene. VI ser likevel forskjeller mellom snø som er tilsatt kjemikalier og ren snø. Kvalitative resultater Prøvene ble tatt ut av klimarommet etter kuletesten, for å kunne beskrive mulige forskjeller. Alle prøvene, minus Aviform, lot seg lett trykke sammen. Aviform-prøven var hard og trengte mer kraft for og knuses. Etter et kvarter var snøen som inneholdt natriumklorid bløt og våt. Den hadde samme konsistens som slusj som oppstår under salting av snø på vegen. Den lot seg ikke kompaktere i hånden. Jo mer snø som smelter, desto svakere vil natriumkloridløsningen bli. Prøven som inneholdt sukker lot seg heller ikke kompaktere, men hadde likevel ikke samme konsistens som natriumklorid. Sukkersnøen ble seig og grøtaktig. Den var ikke våt og det var tilnærmet ikke noe smeltevann etter et kvarter. Noe som bekrefter Stefan Jakobssons argument, om at sukker har en absorbasjonsevne. Etter hvert dannet det seg noe smeltevann og oppløst sukker ble en tyktflytende og klebrig sukkerløsning. Det kan tenkes at denne sukkerløsningen vil kunne klistre seg til vegen og til kjøretøy. CMA-pelletsene smeltet seg nedover i prøven etter at den ble tatt ut av klimarommet. Pelletsene løste seg gradvis opp i prøven. Snø tilsatt CMA fikk i likhet med sukkeret en tørr slaps som ikke lot seg kompaktere. Den ble ikke seig som sukkeret. Snøen fikk en lys beige farge etter som CMApelletsene løste seg opp. CMA trengte vesentlig mer tid til å smelte snø enn natriumklorid. Resultatene fra smeltekapasitetstesten vil kunne gi ytterligere resultater om dette. Aviform-prøven var hardere enn de andre, men snøen lot seg ikke kompaktere igjen etter at prøven ble knust. Prøven oppførte seg mer lik karakteristikkene til ren snø. Den var tørr og snøblandingen kjentes ikke like viskøs som de andre. Til sammenligning for alle prøvene tilsatt kjemikalier kunne ren snø lett kompakteres etter 15 minutter i romtemperatur. Temperaturen i snøblandingene ble målt rett etter forsøket. Snøen var da tatt ut av plastrøret. På figur 4-7 er gjennomsnittstemperaturer presentert. Snø blandet til frysepunktnedsettelse på -2,0 og -4,0 o C: Salt Sukker CMA Aviform 70/30 Ren snø 0,0-2,0-4,0-6,0-8,0-10,0-12,0-14,0-16,0-2 grader - 4 grader Figur 4-7, Gjennomsnittstemperaturer i snøen tilsatt kjemikalier. Utprøving av alternative kjemikalier for vinterdrift av veger 29

48 Temperaturen i ren snø holdt -5,5 o C. For frysepunktnedsettelse på -2,0 o C fikk snøen tilnærmet samme temperatur for natriumklorid og 70/30 salt-sukker. Temperaturen i Aviform ble ikke så lav som de andre kjemikaliene. Vektprosent Aviform var lavere enn for natriumklorid og CMA, fordi Aviform skulle ha en større frysepunktreduserende effekt ut i fra målingen med FBOX. Forskjellen i målt temperatur, mellom frysepunktnedsettelse på -2,0 o C og -4,0 o C, hadde størst utslag for natriumklorid. Jo lavere temperatur som kunne måles, desto større mengde snø hadde smeltet. Natriumklorid hadde smeltet mest snø, slik at smeltevannet fikk et lavt frysepunkt. Det er likevel usikkert om frysepunktnedsettelsen til natriumklorid er større enn for de andre kjemikaliene, men det kan tolkes som at natriumklorid er mer effektiv, og dermed smeltet mer på kortere tid. Temperaturen rundt kjemikaliekornene i blandingen skal teoretisk være nært eutektitum. Det er fordi konsentrasjonen av løst kjemikalie blir størst i smeltevannet rundt kornene. Men da smeltevannet rant nedover i prøvesylinderen antas en reduksjon i entropien i den øverste snømengden. Reduksjonen i mengden fritt vann førte til at snøen frøs til og fikk en hard overflate som kula ikke klarte å penetrere Diskusjon Forsøket ble ikke så representativt for å vise forskjeller i kompakteringsegenskaper som tiltenkt. Men det er kanskje mangelen i forskjeller som er det riktige å se i denne testen. Kjemikaliemengdene som ble tilsatt skulle gi den samme frysepunktnedsettelsen i snøen. Det er dermed mulig at det oppnås samme resultater eller egenskaper når det er tatt høyde for virkningen til de ulike kjemikaliene. Virkningsgraden ut i fra tilsatt mengde kjemikalie i denne testen skal i praksis være like, ut i fra frysepunktnedsettelsen som ble målt med FBOX. Selv om de kvantitative resultatene viste små forskjeller mellom de ulike kjemikaliene, var det mulig å observere noen forskjeller. Snøen som ble tilsatt de ulike kjemikaliene lot seg ikke kompaktere etter de ble tatt ut av klimarommet. Det ble også observert at blandingen med CMA trengte lengre tid sammenlignet natriumklorid. Det er i tråd med tidligere erfaringer med CMA (Transportation Research Board, 1991). Innblanding av rent sukker hadde effekt på snøen. Den lot seg ikke kompaktere og den dannet en seig masse. Massen absorberte vann som smeltet fra blandingen som igjen dannet en tykk sukkerløsning. Frysepunktnedsettelsen i snøen har altså sammenheng med hvor mye snø som har smeltet. Temperaturen i snøblandingene ble meget lav. Men siden smeltevannet rant nedover i prøvesylinderen ble snøen en kald masse som ikke lot seg penetrere. Colbeck m.fl. (1978) og Mellor og Smith (1966), beskriver at kompresjon av snø reduseres, og styrken økes ved lavere vanninnhold. Siden snøen fikk et lavt vanninnhold, på grunn av smelting og følgende avrenningen, var bevegelsesenergien til kula for liten til å bryte den harde snøhinna. Det ser ut til at mengden fritt vann har hatt innvirkning på styrken til snøen. Selv om snøen er tilsatt kjemikalier ser det ikke ut til at den har endret kornstruktur og er ikke redusert i styrken på grunn av dette. Men mengden fritt vann ser ut til å ha større betydning. Gjennom kontakt med Harald Norem og Kai Rune Lysbakken (våren 2009) ble mengden fritt vann i snø videre diskutert. I skirenn er det blitt strødd natriumklorid på snø for at den skal bli fastere. Det er stikk i strid med hensikten for bruk av natriumklorid på veg. Den vesentlige forskjellen i resultat Utprøving av alternative kjemikalier for vinterdrift av veger 30

49 har mest sannsynlig å gjøre med smeltevannet. I skisporet dreneres smeltevannet bort i de store snømengdene, mens på vegen forsvinner smeltevannet ikke i like stor grad. Når den frie mengden vann dreneres bort øker det tilgjengelige området for bindinger mellom snømolekylene. Mens på vegen blir det økt volum rundt snøens korngrense og redusert mulighet for bindinger. Feilkilder Mellor (1964) skriver at snø som tilsettes en moderat belasting over en veldig kort periode vil reagere elastisk. Det kan være mulig at kuletesten får en grad av denne mekaniske oppførselen og at det medfører liten variasjon i resultatene. Et konisk lodd i stedet for kule kan tenkes å ha gitt større variasjon. Det vil være flere feilkilder til målingene av temperatur i snøen tilsatt kjemikalier. Variasjon i tid mellom kuletest og temperaturmåling, tilført energi fra omgivelsene, kjemikalienes fordeling i snøen og kornstruktur Kompaktering til vegbane Hensikt Hensikten med denne testen var å se om de samme snøblandingene som ble benyttet i de to foregående testene vil hefte seg til vegen. Testen ble gjort spesielt for å beskrive om snø tilsatt kjemikalie vanskeligere ville la seg kompaktere og/eller bli hardpakket til asfalt. Testen ble også utført for å vurdere eventuelle andre forskjeller mellom kjemikaliene Utstyr Asfaltstykke (i denne testen 750 x 550mm) Et bilhjul (benyttet hjul med hjuldimensjon 265/75-16 og vekt 27,6 kg) Vekt med nøyaktighet på hundredelsgram Plastbeger til de tørre kjemikaliene Fire store skåler til oppmåling og blanding av snø benyttet tilbøyde aluminiumskar Plasthansker Kamera Kost Kluter (Wetex) Kjemikalier: Natriumklorid, Sukker, Aviform L50 og Cryotech CMA Testprosedyre Forberedelser Snøen ble tilsatt kjemikalier og blandet på samme måte som ved de to foregående testene. Det ble utført test med natriumklorid, sukker, CMA, Aviform og 70/30 salt-sukker. Blandingene som ble laget hadde en teoretisk frysepunktnedsettelse på -2,0 og -4,0 o C. Før første test ble asfaltstykket kostet, slik at det var tørt og rent. Bilhjulet ble tørket med en klut og satt i klimarommet et døgn før testen skulle utføres. Fremgangsmåte Testen ble i likhet med kuletesten utført i klimarommet ved en temperatur på -6,0 o C. Etter at snø og kjemikalier var blandet sammen ble den lagt på asfaltstykket. Deretter ble hjulet rullet fram og tilbake over asfalten i 10 minutter før temperatur ble målt. Hjulet ble så rullet over i et par minutter Utprøving av alternative kjemikalier for vinterdrift av veger 31

50 til, før snøens heft til vegen ble beskrevet. Det ble også tatt bilder som ytterligere illustrerer snøens kompakteringsevne og heft til vegen. Mellom hver nye kjemikalie ble asfaltstykket vasket med vann, kostet og tørket rent. Ny blanding med snø ble tilsatt når asfalten hadde en temperatur under -4,0 o C. Altså under den målte frysepunktnedsettelsen for de aktuelle kjemikaliene. Hjulet ble også rengjort mellom hvert forsøk. Bilhjulet ble benyttet for å simulere hva som skjer på vegen. Det ble gjort for å få samme kontaktflate til asfalten og for å se om hjulet ville ha egenskaper som er relevant for forsøket. Resultatene i dette forsøket har betydning for snø som enten er blitt blandet med kjemikalier som legges ut preventivt eller snø som tilsettes kjemikalier for og lettere kunne fjernes mekanisk. Testen vil vise hva som skjer med snøen i hjulsporene på vegen Resultat Natriumklorid For frysepunktnedsettelse på -4,0 o C: Egenskaper: Ved innblanding av natriumklorid i snøen begynte den å smelte så snart den ble lagt på vegen, og rullet over med hjulet. Den ble våt og dannet raskt den velkjente slusjen som finnes på vegen. Slusjen satt seg fort fast på hjulet. Den lot seg ikke kompaktere og satt seg ikke fast til asfaltoverflaten. Snøen tilsatt natriumklorid heftet seg altså ikke til vegen. Temperatur: Etter 10 minutter hadde snøblandingen en temperatur på -9,0 o C. For frysepunktnedsettelse på -2,0 o C: Egenskaper: Også her begynte snøen umiddelbart å smelte. Den dannet slusj som festet seg til hjulet. Temperatur: Etter 10 minutter holdt snøen også en temperatur på -9,0 o C. Bilde 4, Natriumklorid, -4,0 o C Utprøving av alternative kjemikalier for vinterdrift av veger 32

51 Sukker For frysepunktnedsettelse på -4,0 o C: Egenskaper: Snø tilsatt sukker ble helt annerledes enn natriumklorid på asfalten. Snøen og sukkeret ble til en tørr og seig masse. Denne massen satte seg ikke fast til hjulet, men formet seg etter mønsteret til hjulet som ble rullet over. Blandingen lot seg ikke kompaktere, men satt bedre fast til asfalten enn natriumklorid fordi den var seig. Blandingen ble også betraktelig seigere etter hvert og det ble en klisset sukkerløsning på hjulet. Sukkeret la seg i porene på asfalten og heftet seg til en viss grad til asfalten. Temperatur: Etter 10 minutter var temperaturen nede i -6,8 o C. For frysepunktnedsettelse på -2,0 o C: Egenskaper: Resultatene er svært like de for -4,0 o C frysepunktnedsettelse. Sukkeret og snøen dannet en seig masse som ikke lot seg kompaktere. Snøen festet seg heller ikke til hjulet, men fylte porene i asfalten. Snøen ble enda tørrere enn ved -4,0 o C. Temperatur: Etter 10 minutter var temperaturen -6,7 o C. Bilde 5, Sukker, -4,0 o C Utprøving av alternative kjemikalier for vinterdrift av veger 33

52 CMA For frysepunktnedsettelse på -4,0 o C: Egenskaper: CMA løste seg sakte opp. Det var heller ingen tegn til at pelletsene løste seg helt opp under testen. Snøen ble ikke hardpakket. Snøblandingen festet seg ikke til dekket og ble liggende igjen i porene i asfalten. Blandingen ble tørrere enn for natriumklorid, og det var ikke tegn til smelting. Blandingen heftet seg bedre til asfalten enn hva snøen med natriumklorid gjorde. Temperatur: Etter 10 minutter hadde snøblandingen en temperatur på -6,6 o C. For frysepunktnedsettelse på -2,0 o C: Egenskaper: Snøen lot seg ikke kompaktere selv om CMA brukte lang tid på å løse seg opp. Snøen fylte porene i asfalten. Temperatur: Rundt CMA-pelletsene ble temperaturen målt til -7,0 o C etter 10 minutter. Temperaturen var dermed lavere enn for frysepunktnedsettelse på -4,0 o C. Dette kan ha sammenheng med hvor nært det ble målt CMA-pelletsene. Bilde 6, CMA, -4,0 o C Utprøving av alternative kjemikalier for vinterdrift av veger 34

53 Aviform For frysepunktnedsettelse på -4,0 o C: Egenskaper: Snøen tilsatt Aviform satt seg ikke fast til hverken hjulet eller asfalten. Den ble liggende igjen og var våtere enn sukkeret, men vesentlig tørrere enn natriumklorid. Blandingen heftet seg mindre fast enn sukker. Temperatur: Etter 10 minutter hadde snøblandingen en temperatur på -5,8 o C. For frysepunktnedsettelse på -2,0 o C: Egenskaper: Snøen tilsatt Aviform lot seg heller ikke nå kompaktere. Snøen la seg i porene i asfalten. Noe snø fester seg på hjulet. Det var noen tegn til at snøen smeltet. Temperatur: Temperaturen ble målt til -6,0 o C etter 10 minutter. Bilde 7, Aviform, -4,0 o C 70/30 salt-sukker For frysepunktnedsettelse på -4,0 o C: Egenskaper: 70/30 salt-sukker dannet i likhet med natriumklorid, raskt en slusj på asfalten. Den ble likevel ikke så våt som kun natriumklorid. Om den er tørrere fordi den er tilsatt mindre salt eller fordi sukkeret tiltrakk seg smeltevannet er usikkert. Snøen lot seg ikke kompaktere og festet seg etter hvert til hjulet. Temperatur: Blandingen hadde en temperatur på -7,2 o C etter 10 minutter. For frysepunktnedsettelse på -2,0 o C: Egenskaper: Snøen dannet ikke slusj denne gangen. Tre vektprosent 70/30 salt-sukker gav resultat i likhet med de andre kjemikaliene. Snøen lot seg ikke kompaktere og fylte porene i asfalten. Den Utprøving av alternative kjemikalier for vinterdrift av veger 35

54 festet seg heller ikke til hjulet, slik som rent natriumklorid gjorde. Temperatur: Temperaturen etter 10 minutter var på -6,3 o C. Bilde 8, 70/30 salt-sukker for -2,0 o C og -4,0 o C Diskusjon Forsøket viser at det er forskjeller i hvor mye kjemikaliene klarer å smelte. Selv om kjemikalieblandingene fikk tilført energi fra asfalten og fra hjulet var det bare natriumklorid som dannet den karakteristiske slusjen. Det var også kun natriumklorid som dannet en så stor konsentrasjon av løst kjemikalie slik at snøen løsnet fra asfalten. Tilførselen av kjemikalier hadde en effekt på snøen. Snøen lot seg ikke kompaktere og festet seg ikke til asfalten. Det var likevel mulig å registrere forskjeller mellom kjemikaliene. Det tok lengre tid for CMA for å oppnå lignende resultat for Aviform. Aviform la seg nede i porene til asfalten, akkurat som sukker. Sukkeret ble en seig masse som fløt ut over asfalten. Både natriumklorid og for frysepunktnedsettelse på -4,0 o C til 70/30 salt-sukker ga slusj på asfalten. Denne slusjen festet seg også til hjulet, noe de andre blandingene ikke gjorde. Slusjen kom også med én gang etter hjulet ble rullet over. Aviform gav best resultat sammenlignet med snø som ble tilsatt natriumklorid. Feilkilder Vekten som ble tilført snøen er mindre det som vil være på veg. I denne testen var tilført vekt lik hjulet pluss 80 kg. Det vil tilsi i overkant av 100 kg, som vil være tilnærmet en firedel av virkelig vekt. Resultatene viste likevel forskjeller mellom kjemikaliene og ulik mengde kjemikalie. På vegen vil snø som fester seg til hjulet bli dratt med videre. I mine forsøk forholdt snøen seg i samme posisjon på asfalten hele tiden. Innvirkningen dette kan ha hatt på forsøket er usikker. Snøen kunne også fått tilført kjemikalier etter at den ble spredt på asfaltstykket. Men det kan da tenkes at fordelingen av kjemikalier ikke ble like jevn som når kjemikalier ble blandet inn. Det kunne ført til at flere av blandingene hadde smeltet mere. Utprøving av alternative kjemikalier for vinterdrift av veger 36

55 4.3.3 Konustest Hensikt Hensikten med testen er kvantitativt å beskrive differanser i skjærstyrke til snø tilsatt kjemikalier. Ved hjelp av en konus som presses gjennom snø tilsatt kjemikalier vil det være mulig registrere hvor stor kraft som må til for å bryte snøen. Snø med lav skjærstyrke vil ikke kunne kompakteres og vil lettere kunne fjernes mekanisk. Snøen som ble tilsatt kjemikalier ble, i likhet med kuletesten, kompaktert til sylindre. Disse sylindrene ble så testet for lastpåvirkning med konus. Prosedyren for denne testen er utarbeidet på bakgrunn av triaksial test etter listede ISO standarder tidligere i denne rapporten. Selve konus ble utformet på bakgrunn av ISO/TS :2004, fall cone test, med spissvinkel på 30 og 60 grader Utstyr Seks rør av 150mm og 150mm Et rør av 150 x 150mm til fylling av snø Fire runde lodd på 2,3 kg Fire runde plater som passer i rørene som loddet kan ligge på To plane bord som settes med 20 cm mellomrom En plate med et hull på 4 mm som legges mellom bordene Vekt med nøyaktighet på hundredelsgram Plastbeger til de tørre kjemikaliene Fire store skåler til oppmåling og blanding av snø benyttet tilbøyde aluminiumskar Fjærvekt opptil 10kg, med maks tilført kraft registrering Plastplate med et hull på 4 mm Gjenget stålvaier under 3 mm Mutter 3 mm Konuslodd, 60 grader spissvinkel (Vekt 1811g) Konuslodd med 30 grader spissvinkel (Vekt: 464g) Plasthansker Kjemikalier: Natriumklorid, Sukker, Aviform L50 og Cryotech CMA Illustrasjon av utstyret Bilde 9, Konus med vinkel 30 og 60 grader Utprøving av alternative kjemikalier for vinterdrift av veger 37

56 Bilde 10, Ferdig montert konus klar for test Testprosedyre Forberedelser Snøen ble blandet med kjemikalier og tilført last i en time i sylinder. Fremgangsmåten er lik som for kuletesten, se kapittel Fremgangsmåte Snøen ble etter den hadde stått en time trykket ut av sylinderen. Vaieren ble stukket gjennom platen og midten av snøprøven. Konusen ble tredd ned på vaieren før mutteren ble festet. Når konusen var plassert stående på snøen ble fjærvekten hektet på vaieren under platen. Så ble det dratt med jevn hastighet til snøprøven ble brutt. Tilført vekt/last ble avlest fra fjærvekta. Temperaturen i snøen ble også registrert rett etter konustesten. Det ble utført to forsøksserier for frysepunktnedsettelse på -2,0 o C for alle kjemikaliene. For frysepunktnedsettelse på -4,0 o C ble det utført én serie. Utprøving av alternative kjemikalier for vinterdrift av veger 38

57 Kilogram Kilogram Masteroppgave ved NTNU, Gjermund Dahl Våren Resultat 8,00 7,00 6,00 5,00 4,00 3,00 2,00 1,00 0,00 Konus med 30 grader - 2,0 grader - 4,0 grader Figur 4-8, Konustest med 30 grader for frysepunktnedsettelse på -2,0 o C og -4,0 o C Resultatene for konus med vinkel på 30 grader viser at det er tilnærmet ingen forskjell mellom kjemikaliene. Det er heller ikke grunnlag for å hevde at det er forskjell i resultatene for hvert kjemikalie ut fra forskjellig frysepunktnedsettelse. Det må betydelig mye mer last for å bryte ren snø som ikke er tilsatt kjemikalier. 8,00 7,00 6,00 5,00 4,00 3,00 2,00 1,00 0,00 Konus med 60 grader - 2,0 grader - 4,0 grader Figur 4-9, Konustest med 60 grader for frysepunktnedsettelse på -2,0 o C og -4,0 o C Vekten av loddet med 60 grader var på 1,81kg. Vekten til konus var tilstrekkelig for å bryte snøen tilsatt natriumklorid uten å tilføre mer last. For snøen som ble tilsatt de andre kjemikaliene måtte det tilføres mer last. Det er likevel ikke grunnlag for å hevde at det er forskjeller i resultatene for disse. Det må betydelig mye mer last for å bryte snøen som ikke er tilsatt kjemikalier for konus med vinkel på 60 grader. Utprøving av alternative kjemikalier for vinterdrift av veger 39

58 Kilogram Kilogram Masteroppgave ved NTNU, Gjermund Dahl Våren ,00 7,00 6,00 5,00 4,00 3,00 2,00 1,00 0,00-2,0 o C grader 30 grader konus 60 grader konus Figur 4-10, Konustest med frysepunktnedsettelse på -2,0 o C for konus med vinkel på 30 og 60 grader Resultatet viser at det må tilføres større last for å bryte snøen med konus på 60 grader, både for snø tilsatt kjemikalier og ren snø. Det er ikke mulig å hevde at det må tilføres mer last for å bryte snø tilsatt natriumklorid, fordi 60 grader konus gikk gjennom snøen kun på grunn av egenvekten. 8,00 7,00 6,00 5,00 4,00 3,00 2,00 1,00 0,00-4,0 o C grader 30 grader konus 60 grader konus Figur 4-11, Konustest med frysepunktnedsettelse på -4,0 o C for konus med vinkel på 30 og 60 grader Resultatene indikerer at det også må tilføres mer vekt for konus med vinkel på 60 grader, utenom for natriumklorid. Tilført last på natriumklorid er lik for begge konusene, fordi laveste avlesning for konus med 60 grader vinkel (kun loddet på 1,81kg) var lik tilført last med konus 30 grader. Utprøving av alternative kjemikalier for vinterdrift av veger 40

59 Diskusjon Alle kjemikaliene ble testet for samme frysepunktnedsettelse. Resultatene fra testen viser det ikke er vesentlig forskjeller mellom kjemikaliene. Spørsmålet blir derfor om resultatene blir like på bakgrunn av virkningsgraden til tilsatt mengde kjemikalier. Mengden som er tilsatt skal gi den samme frysepunktnedsettelse og på den måte kan vi forvente samme resultat. Resultatene viser at tilført last på konusen er den samme, selv om målt temperatur er forskjellig (Temperaturene er presentert i figur 4-7). Det kan dermed ikke hevdes at det er den målte temperaturen i snøen som er avgjørende for om snøen brytes eller ikke. Som beskrevet i punkt 2.1.1, vil den relative styrken til ren snø øke ved lavere temperatur. Selv om temperaturen er lavere i snøen tilsatt kjemikalie er ikke styrken større. Mellor og Smith (1966) argumenterer for at dette er fordi tilsetting av kjemikalier har manipulert frysepunktet til snøen. Styrken til ren snø er større på grunn av forskjellen mellom snøens temperatur, som ble registrert til -5,5 o C, og frysepunktet på 0,0 o C. For snø tilsatt kjemikalier registreres en temperatur på rundt -10 o C mens for eksempel er frysepunktet til natriumklorid som smelter i snøen er opp mot eutektium på -21,3 o C. Svanekil (2007) registrerte temperaturer helt inntil saltkorn som smeltet i sin masteroppgave. Det ble registrert temperaturer helt ned i størrelsesorden -16,0 o C. Som det ble diskutert i punkt vil styrken til snøen kunne være avhengig av mengden tilgjengelig fritt vann. Mengden fritt vann vil ha økt mellom snømolekylene som reduserte muligheten til bindinger mellom snømolekylene og dermed reduserte styrken til snøen. Fordi virkningsgraden til de ulike kjemikaliene er tatt høyde for, kunne det forventes tilnærmet like resultater i denne testen. Forskjellen mellom snø tilsatt kjemikalier og ren snø er også forventet, fordi mengden fritt vann skal være betydelig større i snø tilsatt kjemikalier. Feilkilder For å kunne gi et mer nøyaktig resultat ville det vært hensiktsmessig å benytte konus med lavest mulig vekt. Spesielt vekten av konus med 60 grader hadde innvirkning på resultatet. Det lot seg ikke måle registreringer lavere enn 1,81kg grunnet vekten til konus 60 grader. For å kunne gi en bedre indikasjon på variasjon mellom kjemikalie og mellom mengden tilsatt kjemikalie burde det utføres flere forsøk. Flere serier ville også gitt standardavvik til forsøket. Det lot seg ikke gjøre flere forsøk grunnet mangelen på snø. Utprøving av alternative kjemikalier for vinterdrift av veger 41

60 4.4 Smeltekapasitet Hensikt Formålet med testen har vært å beskrive og sammenligne hvor mye is som ble smeltet av de forskjellige kjemikaliene over et begrenset og definert tidsintervall. For å finne smeltekapasiteten ble det brukt pleksiglasskåler med vann som fryser til is, og mengden smeltet is etter påføring av kjemikalier ble målt etter gitt tidsperspektiv. Laboratorieprosedyrene for smeltekapasitetstesten er standardisert etter SHRP-H Utstyr Seks pleksiglasskåler med diameter 22,86 cm og dybde 1,905 cm, frest ut fra en firkant med mål 280 x 280 mm. Vekt med nøyaktighet på hundredelsgram Plastikksprøyter med tilhørende nål: o 50ml o 20ml o 5ml Sirkulær aluminiumsplate med diameter 215 mm og tykkelse 12 mm Keramikkskåler (eller lignende) til å veie opp kjemikaliet i Trekloss (200 x 50 mm) Tre stoppeklokker Målesylinder med kapasitet opp til minst 130ml Arbeidsbord som står i vater Destillert vann Kjemikalier: Natriumklorid, Sukker, Aviform L50 og Cryotech CMA Nærmere forklaring av utstyr Trekloss som ble benyttet til å støtte opp under pleksiglasskålene ved oppsuging av smeltet is. Bilde 11, Pleksiglasskåler, kloss, sprøyter og stoppeklokker Utprøving av alternative kjemikalier for vinterdrift av veger 42

61 Aluminiumsplate til å jevne ut isen i pleksiglasskålene. Bilde 12, Aluminiumsplate Testprosedyre Kalibrering av sprøyte: I forsøket ble det brukt 20ml og 50ml sprøyter til å suge opp væsken i pleksiglasskålene. Volummerket på sprøytene viser hvor mye væske det er i sprøyte pluss nål. For nøyaktig å måle oppsugd mengde må all væske trekkes inn i sprøyten, slik at nålen ikke blir fylt opp. Det medfører at volumet av nålen må trekkes fra ved måling av smeltekapasitet. Korreksjonsfaktoren for sprøytene ble funnet ved kalibrering av sprøytene. Tabell 2, Korreksjonsfaktor for sprøyte Sprøytestørrelse (ml) Korreksjonsfaktor (ml) 20 0,7 50 1,1 Isforberedelser Pleksiglasskålene ble vasket med destillert vann før hvert forsøk. Etter SHRP H vil 130ml vann tilsvare en istykkelse på 3,175 mm i pleksiglasskålen. 130ml destillert vann ble målt opp i målesylinderen før det ble tilført pleksiglasskålene. Skålene ble plassert i vater i klimarommet til vannet frosset. Når vannet hadde frosset til is, ble aluminiumplaten snurret rundt på isoverflaten for å jevne ut kuler som hadde oppstått. Smeltevannet ble dermed fordelt jevnt over isen. Forsøket ble gjennomført når isen igjen hadde frosset. Av tidligere erfaringer tok dette 5 til 6 timer ved en temperatur på -1,0 o C i klimarommet (Hernes 2005 og Svanekil 2007). Utprøving av alternative kjemikalier for vinterdrift av veger 43

62 Kjemikalieforberedelser De tørre kjemikaliene ble veid opp i skålene. Det ble utført ett forsøk med hvert kjemikalie, tre repetisjoner for hver, for både en temperatur på -5,0 o C og -1,0 o C i klimarommet. Det gir totalt seks prøver for hvert kjemikalie. For test av smeltekapasitet med tørt kjemikalie anbefales det i SHRP H en kjemikalievekt på 4,17g. For natriumklorid, sukker og CMA ble denne vekten benyttet. For 70/30 salt-sukker ble benyttet 2,92g (70 %) natriumklorid og 1,25g (30 %) sukker. Det ble også tatt utgangspunkt i en samlet vekt på 4,17g 50 vektprosent Aviform. Kjemikaliene ble satt i klimarommet i god stund før forsøket. Det ble også utført sikteprøve av CMA. Dette ble gjort for å ha mulighet til å sammenligne variasjoner i kornstruktur ved fremtidige forsøk. Siktekurven for Cryotech CMA ligger som vedlegg 3. Fremgangsmåte De tørre kjemikaliene ble målt opp i keramikkskålene med vekten. Aviform ble veid opp i 5ml sprøyter. Kjemikaliene ble tilsatt pleksiglasskål nummer 1 og stoppeklokke 1 ble startet. Etter 2 minutter ble kjemikalie tilsatt skål nummer 2 og stoppeklokke 2 startet. Etter ytterligere 2 minutter ble tredje skål tilsatt kjemikaliene og siste stoppeklokke startet. Etter 10 minutter ble hver skål satt på treklossen for at det smeltede vannet kunne bli sugd opp. Alt vann ble sugd helt inn i sprøyta. Fordi det lett blir dratt med luft inn i sprøyta, ble stempelet dratt tilbake til et kjent volummerke, før volumet ble avlest. Etter målt smeltevann hadde blitt notert ble pleksiglasskåla satt ned på bordet igjen og smeltevannet sprutet jevnt over isen. Stempelet ble dratt frem og tilbake for å få ut alt. Denne prosessen ble gjentatt for hver skål etter 10, 20, 30, 45 og 60 minutter. Standardavvik ble så beregnet. Bilde 13, Smeltet is med natriumklorid. Utprøving av alternative kjemikalier for vinterdrift av veger 44

63 SMeltet is i ml SMeltet is i ml Masteroppgave ved NTNU, Gjermund Dahl Våren Resultater 35,0 30,0 25,0 20,0 15,0 10,0 Smeltet is ved temperatur på -5,0 o C Salt - Natriumklorid, 99,8 % min Sukker - Dansukker, 99,9% Hydrated CMA + other acetates, 96% min. 5,0 0, Tid i minutter Aviform - kaliumformiat, 50 wt % (+/- 1 wt %) 70/30 salt-sukker Figur 4-12, Smeltet is ved temperatur -5,0 o C for de ulike kjemikaliene. Natriumklorid smeltet klart mest is i løpet av smeltekapasitetstesten. Aviform smeltet i løpet av de første 10 minuttene, men den hadde liten økning i resten av testen. Resultatene viser at natriumklorid hadde størst smeltekapasitet. Sukker hadde tilnærmet ingen smeltekapasitet. Smeltekapasiteten til Aviform var lite tidsavhengig, mens CMA økte jevnt gjennom hele forsøket. 70/30 salt-sukker hadde større smeltekapasitet enn CMA etter 60 minutter. Ved å bytte ut 30 % natriumklorid med sukker ble smeltekapasiteten under halvparten av rent natriumklorid. 35,00 30,00 25,00 20,00 15,00 10,00 5,00 0, Tid i minutter Smeltet is ved temperatur på -1,0 o C Salt - Natriumklorid, 99,8 % min Sukker - Dansukker, 99,9% Hydrated CMA + other acetates, 96% min. Aviform - kaliumformiat, 50 wt % (+/- 1 wt %) 70/30 salt-sukker Figur 4-13, Smeltet is ved temperatur -1,0 o C for de ulike kjemikaliene. Utprøving av alternative kjemikalier for vinterdrift av veger 45

64 Natriumklorid og 70/30 salt-sukker hadde like stor smeltekapasitet etter 60 minutter. Smeltekapasiteten til CMA er sterkt tidsavhengig. CMA smeltet mest is etter de første 30 minuttene. Sukker har klart dårligst smeltekapasitet også ved -1,0 o C. Aviform hadde stor smelteeffekt i starten av testen. Smeltekapasitet til Aviform var mer tidsavhengig ved -1,0 o C enn ved -5,0 o C. Det var relativt små standardavvik i denne testen. Resultatene viste størst spredning ved 10 og 20 minutter. Standardavvikene til resultatene er presentert i vedlegg 4 og Diskusjon Forsøkene viser en klar forskjell i smeltekapasitet. Natriumklorid har best smeltekapasitet og smelteeffekt. Testen bekrefter at sukker har dårlig smeltekapasitet, som også antydes i det svenske arbeidet (Gustafsson og Gabrielsson 2006). Tidligere norske resultater fra smeltekapasitetstest med CMA ligger noe over disse resultatene (Statens vegvesen 1995). I testene utført i 1995 ble det brukt 4,2g rent CMA. I dette forsøket ble det brukt 4,17g CMA, minimum 96 %. Det er mest trolig at differansen mellom resultatene ligger i mengden rent CMA. Til sammenligning ble det registrert 9,0ml smeltet is etter 60 minutter i smelteforsøk utført i 1995, mot 6,5ml i dette forsøket. Kornstørrelsen vil også være relevant for smeltekapasiteten til CMA. Pelletsene løste seg sakte opp slik at en finere kornstørrelse antas å ha større smeltekapasitet Aviform viste best resultater i initieringsfasen ved både -1,0 og -5,0 o C. Kjemikaliet kan dermed å ha stor smelteeffekt på islagt veg innenfor et kort tidsintervall. Sammenlignet med CMA vil Aviform ha vesentlig raskere virkning for smelting av is på veg. Feilkilder Oppsugningen av smeltet vann vil være en feilkilde. Mengden oppsugd væske vil være avhengig av hvor lenge pleksiglasskåla sto på treklossen før oppsugingen ble avsluttet. Eventuelle restmengder av smeltevannet vil også være igjen i sprøyta. Spesielt væsken med sukker var vanskelig å måle. Væska var seig samtidig som smeltet vann tok lang tid før den kunne suges opp. Kornstørrelsen vil være av betydning i denne testen. Kjemikaliene ble testen ut i fra den størrelsen den ble levert i. Standardavviket var noe større for CMA enn de andre, slik av variasjon i CMA sin kornstruktur har gitt større utslag enn for de andre kjemikaliene. Utprøving av alternative kjemikalier for vinterdrift av veger 46

65 5 Feltforsøk Feltforsøkene ble planlagt på tilsvarende måte som laboratorieforsøkene. Lister over utstyr ble utarbeidet og selve testprosedyren ble gjennomgått i forkant av feltforsøkene. Feltforsøk er sterkt væravhengig, slik at utføringen av forsøkene ble planlagt etter meteorologiske varsler. Det legges til i denne forbindelse at værforholdene i Trondheim var og er særdeles uforutsigbare. Feltforsøkene ble gjennomført selv om forholdene aldri ble helt optimale. Et viktig moment i feltforsøkene har vært å måle temperaturen på vegen og i luften før kjemikaliene ble tilført. Temperaturen før forsøkene er spesielt viktig ved vurderinger av resultater der kjemikaliene legges ut preventivt. I feltforsøkene ble det benyttet 20g/m 2 natriumklorid som etterfølger retningslinjene til Statens vegvesen sin veiledende salttabell for bruk av tørt salt under snøvær mellom 0,0 og -5,0 o C (Statens vegvesen 2007). For CMA, Aviform og 70/30 salt-sukker ble det også benyttet 20g/m 2. På forpakningen til Cryotech CMA oppgis det dosering helt opp til 100g/m 2. Altså fem ganger mer enn natriumklorid. For sukker ble det benyttet 40g/m 2. Det ble forventet at 20g/m 2 med sukker ikke ville gitt synlig effekt ut i fra den store forskjellen beregnet i etter teoretisk frysepunktnedsettelse. Mengden sukker ble derfor doblet i håp om å kunne registrere effekter. 5.1 Preventiv kjemikalietilsetting og mekanisk fjerning Hensikt Hensikten med feltforsøket var å kunne si noe om de preventive bruksegenskapene til de ulike kjemikaliene. Ved å legge ut kjemikaliene i forkant av snøfall vil det være mulig å teste hvorvidt de vil forhindre at snøen hefter seg til asfalten og eller smelter. Videre ble også kjemikalienes effekt på mekanisk fjerning testet ved å tilsette kjemikalier på et allerede etablert snødekke. 22/ ble det utført tre forskjellige forsøk. Et forsøk på bar asfalt for å teste den preventive effekten, et på tykt snødekke for å teste mekanisk fjerning og et forsøk for å sammenligne de tørre kjemikaliene på et tynt snødekke Utstyr Kost og en liten skuffe Målebånd Sprayboks med vannløslig maling Spruteflaske Stikktermometer Kamera Asfaltplass med tilgjengelig plass på 10 x 2 meter Personbil Kjemikalier: Natriumklorid, Sukker, Aviform L50 og Cryotech CMA Utprøving av alternative kjemikalier for vinterdrift av veger 47

66 5.1.3 Testprosedyre Kjemikaliene ble spredt på seks felt â 3m 2, som vist på figur 5-1. Figur 5-1, Organisering av utlagt kjemikalier Feltene ble målt opp og markert ved hjelp av målebånd og spraymaling. Deretter ble kjemikaliene spredt jevnt ut over feltet. Aviform ble sprutet på feltet ved hjelp av spruteflasken. I det første forsøket ble feltene tilsatt kjemikalier på bar asfalt under snøvær. Det var ønskelig å se på kjemikalienes preventive effekt. Etter at kjemikaliene ble lagt ut snødde det på feltene. I andre forsøk ble kjemikaliene spredt på et allerede snølagt asfaltområde. Etter at kjemikaliene var spredd ut ble snøen kjørt over med bil. Dette ble gjort for å se på kjemikalienes effekt på kompaktering og heft til vegen i hjulsporene. Det er av betydning for mekanisk fjerning. Det ble også utført et forsøk senere samme dag med de tørre kjemikaliene: natriumklorid, sukker og CMA. Kjemikaliene ble da spredt utover, med samme tørrstoffmengde som tidligere, på et tynt snølag. Dette ble gjort for å kunne se på underkuttingsegenskapene Resultater Test av preventive egenskaper Forsøket ble utført på Øya i Trondheim sentrum under lett snøvær. Asfalten ble måket og børstet ren for snø. Kjemikaliene ble lagt som på figuren over. Asfaltdekket hadde en gjennomsnittstemperatur på -0,7 o C. Lufttemperaturen var på tidspunktet 2,0 o C. Tilførselen av natriumklorid smeltet raskt restene av snøen som lå igjen. Snøen som falt la seg ikke på området etter tilførselen av natriumklorid. Temperaturen ble registrert etter en halv time. Dekket holdt da -0,2 o C. På området som ble tilsatt CMA smeltet snøen rundt pelletsene. Pelletsene løste seg nesten ikke opp i smeltevannet. Det var ikke tilstrekkelig snø eller smeltevann for at CMA skulle løse seg helt opp i løpet av forsøket. Ved tilførselen av Aviform smeltet snørestene med en gang. Snøen la seg aldri igjen på området. Utprøving av alternative kjemikalier for vinterdrift av veger 48

67 På området tilsatt sukker lå snøen en god stund. Snøen forsvant etter noe tid, men dette kan ha med været å gjøre. Dette antas fordi snøen som falt på området som ikke ble tilsatt kjemikalier også smeltet etter noe tid. Forsøket kan derfor anses som mislykket, fordi det ikke var mulig å sammenligne kjemikaliene når snøen ikke la seg selv der det ikke ble tilsatt noen kjemikalier. Test av mekanisk fjerning Etter å ha forsøkt å se på kjemikalienes preventive effekt, ble kjemikaliene også tilsatt på nysnø. Samme mengde ble tilsatt på 6cm snø. Seks centimeter snø tilsvarer 6mm vann, slik at blandingen med kjemikalier ble svak. Det ble likevel antatt å være mulig å registrere egenskaper for de ulike kjemikaliene. Snøen ble kjørt over etter tilsettingen av kjemikalier. Dette ble gjort for å simulere trafikk. Etter seks overkjøringer var alle hjulsporene våte. Alle kjemikaliene blandet seg inn den kompakterte snøen, uten om CMA som boret seg ned i snøen. Etter 18 overkjøringer ble snøen i hjulsporene forsøkt fjernet med spade. Det ble gjort for å vurdere om kjemikaliene ga egenskaper som kan sammenlignes med underkutting eller om snøen heftet seg vegen. Der natriumklorid ble tilsatt lot snøen seg fjerne som hard slusj. Det ser ut til at natriumklorid har hatt en frysepunknedsettende effekt slik at snøen ble kald og lot seg vanskelig fjerne i store biter. Natriumklorid gjorde at snøen ikke lot seg bryte av fra underlaget, men bandt seg fast som kald snø. Resultatet er lignende det som ble registrert i kuletesten. Det ble en frysepunktnedsettelse på snøen, men mengden smeltevann var ikke tilstrekkelig til å redusere styrken til snøen eller å underkutte snøen. Bilde 14, Seks centimeter snø tilsatt 20g/m 2 natriumklorid Utprøving av alternative kjemikalier for vinterdrift av veger 49

68 Effekten med sukker var annerledes. Snøen løsnet i store flak når den ble forsøkt fjernet med spaden. Det krevde mer makt å fjerne denne snøen enn snø tilsatt natriumklorid. Temperaturen til natriumkloridsnøen ble registrert til -0,7 o C, mens sukkeret hadde en temperatur på -0,2 o C. Temperaturforskjellene kan tenkes å være grunnen til at det var vanskeligere å fjerne saltsnøen, fordi snøen ble kaldere og frosset til asfalten. For området som ikke var tilsatt kjemikalier kunne også snøen fjernes i store flak. Her var det ingen frysepunktnedsettelse. Bilde 15, Seks centimeter snø tilsatt 40g/m 2 sukker CMA og Aviform hadde lignende resultat som for natriumklorid. Snøen lot seg kun fjerne som hard slusj som satt godt fast til underlaget. Temperaturen for CMA og Aviform var samme som for natriumklorid, -0,7 o C. Frysepunktnedsettelsen har også her gitt snøen andre egenskaper. Snøen ble heller ikke her underkuttet. CMA pelletsene ble ikke knust ved overkjøringen. Utprøving av alternative kjemikalier for vinterdrift av veger 50

69 Bilde 16, Seks centimeter snø tilsatt 20g/m 2 CMA Differanser mellom de tørre kjemikaliene Feltforsøket ble utført på Dragvoll i Trondheim. Her ble de tørre kjemikaliene sammenliknet. Det ble måket vekk tre kvadratmeter med snø, slik at det kun lå igjen et tynt snølag i de største porene i asfalten. Det er denne snømengden som ble registrert etter tilførsel av kjemikaliene natriumklorid, sukker og CMA. Lufttemperaturen var -1,0 o C ved starten av forsøket. Når natriumklorid løste seg trengte den under snøen og underkuttet den. Natriumklorid smeltet bort alt av snø og etterlot en relativt tørr overfalte etter noe tid. Temperaturen på snøen falt fra -1,0 o C til -1,6 o C etter tilførselen av natriumklorid. Snø tilsatt sukker lot seg også underkutte, men snøen smeltet ikke bort. Snøen ble liggende igjen tørr og hvit øverst i porene. Temperaturen sank til -1,5 o C i denne snøen. Det var vått nederst i porene, under snøen. At snøen virker tørr indikerer at sukkeret absorberer vann. Dette er i tråd med egenskaper beskrevet i tidligere i denne rapporten og registrert i laboratoriet. Rundt pelletsene med CMA ble temperaturen registrert nede i -2,0 o C. Snøen ble underkuttet der pelletsene smeltet og gikk i løsning. CMA trengte betraktelig lengre tid for å løse seg opp og underkutte snøen. Der pelletsene kun løste seg noe opp lå det fortsatt snø i porene i asfalten. Der det ikke ble tilsatt kjemikalier lå snøen fast og blank nede i porene. Snøen holdt en temperatur på -0,5 o C. Nærbildene nedenfor er ment for å illustrere beskrivelsene for de tørre kjemikaliene. Utprøving av alternative kjemikalier for vinterdrift av veger 51

70 Salt Sukker Bilde 17, Nærbilder av de tørre kjemikaliene CMA Utprøving av alternative kjemikalier for vinterdrift av veger 52

71 5.1.5 Diskusjon Forsøket viste at det var mulig å observere forskjeller mellom de ulike kjemikaliene. Forskjellene blir diskutert for hver test. Test av preventive egenskaper Natriumklorid viste seg igjen raskt å komme i smeltefasen og smeltet restene av snøen og holdt asfalten bar. Aviform var også meget rask, sammenlignet med sukker og CMA. Aviform hadde best effekt av de alternative kjemikaliene. Test av mekanisk fjerning Tilsettingen av kjemikalier førte til at snøen ble vanskeligere å fjerne. Den store snømengden førte til smelting, men ikke tilstrekkelig til at den lot seg lettere fjerne. Den frysepunktreduserende effekten førte til at snøen frøs seg fast til asfalten istedenfor at smeltevannet underkuttet den. Konsentrasjonen (mengden) av tilsatt kjemikalie ble for liten i forhold til snømengden. McElroy, Beckwith, Adams (1994) beskriver: Underkutting er en fysisk, kompleks prosess som avhenger av en rekke variabler, inkludert type asfaltoverflate, porene eller uregelmessigheter i asfalten, grad av varmeoverføring, konsentrasjonen på løsningen, tetthet og variasjoner i den kjemiske spredningen (McElroy m.fl. 1994:173, oversatt fra engelsk). Det så ut til at konsentrasjonen var en avgjørende variabel i dette forsøket. Differanser mellom de tørre kjemikaliene Testen gav indikasjoner på at sukker ikke smeltet snøen, men tiltrakk seg overskuddsvannet. Noe som er i tråd med smeltekapasitetstesten. Natriumklorid var det mest effektive og smeltet mest snø. Dette er også i tråd med laboratorieforsøkene. CMA viste igjen at det trenger lengre tid enn natriumklorid. Utprøving av alternative kjemikalier for vinterdrift av veger 53

72 5.2 Kompaktering av snø på veg Hensikt Hensikten med feltforsøket er kunne si noe om bruksegenskapen de ulike kjemikaliene har når de legges ut på et snødekke. Asfalten ble kjørt over for å simulere trafikk, men også for å se om snøen ble kompaktert eller om det ble dannet slusj. Feltforsøk nummer to ble utført 30/ ved NTNU i Trondheim kl til Utstyr Målebånd Sprayboks med vannløslig maling Sprayflaske Stikktermometer Personbil Kamera Asfaltplass med tilgjengelig plass til prøve på størrelse 10 x 2 meter Kjemikalier: Natriumklorid, Sukker, Aviform L50 og Cryotech CMA Testprosedyre Det ble utført et feltforsøk der kjemikaliene ble lagt ut da det allerede hadde kommet 2 cm snø. Det ble målt opp 6 felt på 1,5 x 2 meter som beskrevet i forrige feltforsøk. I hvert felt ble det tilsatt 20g/m 2, mens det ble tilsatt 40g/m 2 sukker. Etter tilførselen av kjemikalier ble virkningene på snøen observert før den så ble forsøkt kompaktert til asfalten. Temperaturen i snøen ved start av forsøket var -0,5 o C. Lufttemperaturen var 0,0 o C Resultater Tilførselen av natriumklorid førte til at snøen smeltet etter noe tid. Sukkeret viste tilnærmet ingen forskjell fra ren snø. Den var fortsatt hvit og tørr. CMA smeltet seg ned til asfalten, men det tok også her lang tid før det var mulig å se at snøen rundt smeltet. Aviform ble dårlig distribuert over feltet, slik at den mengde som traff snøen ble så stor at snøen smeltet med en gang. 70/30 salt-sukker smeltet snøen relativt raskt. Feltet ble hurtigere bart enn der natriumklorid ble tilsatt, selv om natriumklorid ble tilført først og 70/30 salt-sukker sist. Følgende temperatur ble målt etter 15 minutter i snøen: Natriumklorid -3,0 o C Sukker -1,0 o C CMA -2,5 o C Aviform -2,5 o C 70/30-3,5 o C Ren snø -0,5 o C Etter at temperaturen var målt, ble snøen forsøkt kompaktert til asfalten. For natriumklorid fikk vi den karakteristiske slusjen. Slusjen satt seg fast på hjulet og laget større og større klatter. Snøen tilsatt natriumklorid satt seg ikke fast til asfalten. Utprøving av alternative kjemikalier for vinterdrift av veger 54

73 Snøen tilsatt sukker ble i kald og hard. Når den ble kald festet den seg til underlaget, selv om snøen ikke lot seg kompaktere. Den etter hvert seige massen trykket seg godt ned i porene i asfalten. CMA løste seg veldig sent opp under forsøket. Det trengtes lengre tid for at CMA skal løse seg i snøen og hindre kompaktering og heft til vegen. Som nevnt i punkt 3.2 er det nødvendig å øke strømengden til 40 g/m 2 under snøvær (Statens vegvesen 1995). For å oppnå resultater i tråd med natriumklorid ville det vært nødvendig å øke mengden CMA i dette forsøket. Aviform smeltet all snøen der den ble tilsatt. Snøen som kom i kontakt med smeltevannet lot seg ikke kompaktere. En jevn fordelig ville gitt bedre resultat i dette feltforsøket, men den registrerte effekten til Aviform var god. Blandingen 70/30 salt-sukker smeltet området raskest av alle. Det var dermed nesten ikke mer snø igjen for å prøve og kompaktere. Det ble overraskende raskt bar asfalt med denne blandingen Diskusjon Mengden tilsatt kjemikalier i forhold til snø ble mer realistiske i dette feltforsøket. Det gjorde det mulig å observere smelteegenskapene til kjemikaliene. Natriumklorid, Aviform og 70/30 salt-sukker hadde best effekt i dette forsøket. Disse tre kjemikaliene smeltet snølaget. Sukker og CMA hadde dårligere effekt. Sukkeret så ikke ut til å smelte noe, men førte til snøen lå igjen som en seig masse som ikke lot seg kompaktere. CMA brukte så lang tid at lite av snøen smeltet i løpet av forsøket. Temperaturen i 70/30 salt-sukker var lavest av alle kjemikaliene. Denne frysepunktredusering kan være grunnen til dette området ble først bart, men det kan også ligge i usikkerheten til målingene. Det ble registrert lavere temperatur i snøen tilsatt kjemikalier enn i ren snø. Utprøving av alternative kjemikalier for vinterdrift av veger 55

74 Utprøving av alternative kjemikalier for vinterdrift av veger 56

75 6 Drøfting og konklusjoner Det finnes tre hensikter om bruk av kjemikalier i driften av vinterveger. Disse tre hensiktene, som ble presentert i teoridelen, utnytter tre kjemiske egenskaper (Larsen m.fl. 2007). Jeg vil her se på disse egenskapene som hypoteser, og videre diskutere dem opp mot resultatene i mitt eget arbeid. Første hypotese: Andre hypotese: Tredje hypotese: Å utnytte kjemikalienes egenskap til å senke frysepunktet til vann for å hindre at is/rim dannes på vegbanen. Å utnytte kjemikalienes egenskap til å endre kornstrukturen og bindinger i snøen for å hindre at snøen kompakteres og festes til vegbanen. Å utnytte kjemikalienes egenskap til å smelte is som ligger på vegen. 6.1 Første hypotese I den eksperimentelle delen ble det utført forsøk som påviste at alle kjemikaliene hadde en frysepunktreduserende effekt. Resultatene i laboratoriet viste en frysepunktnedsettelse ved tilsetting av kjemikalier. Forsøkene utført i felt viste at reduksjonen i frysepunktet til vannet på asfalten førte til at snøen ikke la seg. Hvor mye frysepunktet til vannet ble senket var avhengig av hvilken type kjemikalie som ble brukt og ikke minst mengden som ble tilsatt. I tabellen nedenfor er frysepunktnedsettelsen til natriumklorid sammenlignet med de alternative kjemikaliene. Forholdstallet relatert til natriumklorid er også presentert. Tabell 3, Forholdstall ut i fra målt frysepunktnedsettelse med FBOX Målt frysepunktnedsettelse på -5,0 o C Kjemikalie Natriumklorid Sukker CMA Aviform 70/30 Vektprosent Målt (forhold til NaCl) 1 1 : 3,5 1 : 1,25 1 : 0,87 1 : 1 Teoretisk (forhold til NaCl) 1 1 : 10 1 : 1,7 - - Tabellen viser at det er kun for Aviform det trengs mindre mengder kjemikalie for å oppnå samme frysepunktnedsettelse som natriumklorid. Variasjonen mellom målt og teoretisk frysepunktnedsettelse for sukker antas å ha med usikkerheten til FBOX og utregning for ideelle løsninger. Ved å hindre at is/rim dannes på vegen må kjemikaliene legges ut preventivt. Feltforsøkene der kjemikaliene ble lagt ut på veg før snøfall viser at natriumklorid og Aviform hadde best effekt. 70/30 salt-sukker hadde tilnærmet like gode resultater. CMA trengte betydelig lengre tid for å løse seg opp. Pelletsene (i snøen) lot seg heller ikke knuse når de ble overkjørt. Det vil ha betydning for om CMA vil blåse av vegen før de rekker å løse seg opp. Rent sukker hadde dårlig effekt i å forhindre is eller rim på vegen. Utprøving av alternative kjemikalier for vinterdrift av veger 57

76 6.2 Andre hypotese Gjennom arbeidet med alternative kjemikalier har det blitt satt spørsmålstegn ved hvorvidt kjemikalier har egenskaper til å endre kornstrukturen i snø. En ny hypotese om at det er mengden fritt vann mellom snømolekylene som er avgjørende for snøens kompakteringsevne og styrke er mer sannsynlig. Kuletesten ga nesten identiske resultater ved å ta høyde for kjemikalienes ulike frysepunktreduserende effekt. Snøen i prøvesylinderen lot seg dårlig penetrere, fordi smeltevannet rant ned i prøvesylinderen og etterlot en hard overflate. I kompakteringstesten på asfaltstykket forsvant ikke smeltevannet og snøen med natriumklorid dannet den karakterisktiske slusjen som oppstår ute på vegen. I konustesten ble det også registrert likheter mellom kjemikaliene når det ble kompensert for virkningsgraden. Ren snø hadde stor styrke i forhold til snø tilsatt kjemikalier. Det er likevel heller ikke her trolig at det er kjemikalienes evne til å endre kornstrukturen som har redusert styrken til snøen. Smeltingen, grunnet reduksjonen i frysepunktet, har økt den frie vannmengden mellom snømolekylene. Det økte vanninnholdet i korngrensen har ført til at snøen mistet sin kompakteringsevne/fasthet og konusen kunne lett skjære seg gjennom prøven. Selv om et ble det tatt høyde for virkningsgraden til kjemikaliene indikerer likevel resultatene hvilke kjemikalier som hadde størst effekt på kompaktering av snø. Natriumklorid hadde best effekt på asfaltstykket og noe lavere styrke på konustesten. Av de alternative kjemikaliene hadde Aviform raskest effekt, mens CMA ble bedre og bedre over tid. Rent sukker hadde dårligst effekt, mens 70/30 salt-sukker hadde tilnærmet samme effekt som rent natriumklorid. I feltforsøkene var det også mulig å se betydningen av mengden fritt vann. I forsøket der kjemikaliene ble tilsatt 6cm snø lot snøen seg vanskelig fjerne. Mengden tilsatt kjemikalier var for liten slik at kun en i liten grad av snøen kom i smeltefasen. Mengden fritt vann mellom vannmolekylene ble for liten og snøen ble hard. Tilsettingen av kjemikalier fikk heller en negativ effekt, ved at snøen frøs seg til asfalten. Snøen tilført kjemikalier ble hardere enn den rene snøen. Dette tilsier at den lille mengden kjemikalier som ble tilført verken reduserte styrken, eller forhindret at snøen ble kompaktert og festet seg til vegbanen. Natriumklorid hadde best effekt på kompaktering i feltforsøkene. Aviform gav igjen raskere resultater enn CMA og sukker. Aviform hadde dermed best effekt på kompaktering av snø av de alternative kjemikaliene til natriumklorid. Utprøving av alternative kjemikalier for vinterdrift av veger 58

77 6.3 Tredje hypotese Smeltekapasitetstesten og feltforsøkene viste at kjemikaliene hadde forskjellig smelteegenskaper. Natriumklorid hadde best smelteeffekt og smeltekapasitet. I smeltekapasitetstesten ble det konstatert at sukker hadde dårligst smeltekapasitet. Nedenfor er forholdet mellom smelteegenskapene presentert ut i fra natriumklorid, både ved -1,0 og -5,0 o C. Tabell 4, Smeltet mengde is i milliliter etter 60 minutter ved -1,0 o C Smeltekapasitet etter 60 min ved -1,0 o C Kjemikalie Natriumklorid Sukker CMA Aviform 70/30 Smeltet is i ml 31,2 8,2 23,1 28,1 31,9 Forhold til NaCl 100 % 26 % 74 % 90 % 102 % Tabell 5, Smeltet mengde is i milliliter etter 60 minutter ved -5,0 o C Smeltekapasitet etter 60 min ved -5,0 o C Kjemikalie Natriumklorid Sukker CMA Aviform 70/30 Smeltet is i ml 27,6 2,3 6,5 14,4 11,4 Forhold til NaCl 100 % 8 % 24 % 52 % 41 % Aviform smeltet mest is i av de alternative kjemikaliene til natriumklorid. Aviform var også vesentlig mindre tidsavhengig enn CMA. 70/30 salt-sukker hadde bedre smeltekapasitet enn CMA. Rent sukker hadde klart dårligst smeltekapasitet. Ved -1,0 o C smeltet 70/30 salt-sukker mer is enn natriumklorid. Resultatet antas å ha med usikkerheten til smeltekapasitetstesten. 6.4 Kjemikalienes effekt Effekten kjemikalier hadde på frysepunktet, kompaktering og smeltekapasitet ble påvist i dette arbeidet. Resultatene for frysepunktnedsettelse og smeltekapasitet ble presentert i reduksjon i antall grader og i smeltet mengde is i milliliter. Første og tredje hypotese kunne således konkluderes kvantitativt. Forskjeller i kompaktering av snø lot seg vanskelig tallfeste, når det var tatt høyde for kjemikalienes ulike virkningsgrad. Nedenfor er derfor den andre hypotesen forsøkt fremstilt gjennom fire figurer. De tre første danner grunnlaget for 3D-figuren som illustrerer antatt effekt av snø med økende mengde tilsatt kjemikalier. Utprøving av alternative kjemikalier for vinterdrift av veger 59

78 Figur 6-1, Kompakteringsevnen til snø tilsatt kjemikalier Figur 6-2, Kompakteringsevnen til snø uten tilsatt kjemikalier Utprøving av alternative kjemikalier for vinterdrift av veger 60

79 Figur 6-3, Mengden fritt vann avhengig av mengden tilsatt kjemikalier Figur 6-4, Kompakteringsevnen til snø avhengig av mengden fritt vann og tilsetting av kjemikalier På bakgrunn av figur 6-4 konkluderes dermed andre hypotese. Mengden fritt vann antas å variere med mengden tilsatt kjemikalier. Mengden fritt vann mellom snømolekylene gir ulik grad av kompakteringsevne. Snø lar seg vanskelig kompaktere helt tørr eller helt våt. Utprøving av alternative kjemikalier for vinterdrift av veger 61

80 Utprøving av alternative kjemikalier for vinterdrift av veger 62

81 7 Videre arbeid med utprøving av alternative kjemikalier I dette prosjektet har jeg studert egenskapene til alternative kjemikalier som det er mulig å utnytte i vinterdriften av veger. For å vurdere disse egenskapene ble det utarbeidet flere prosedyrer, spesielt i laboratoriet. Disse prosedyrene og testene kan både danne et godt utgangspunkt for videre arbeid i laboratoriet, men også være nyttige ute i felten. En av erfaringene har vært at ved å ta høyde for virkningsgraden til kjemikaliene, var det mulig å oppnå tilnærmet like resultater for de ulike alternative kjemikaliene. Derfor vil det være interessant å utføre de samme forsøkene der kjemikaliene testes mot hverandre med like mengder. For å vurdere forskjellene vil konusforsøket være en god test. Videre arbeid med kompaktering av snø tilsatt kjemikalier vil være spesielt interessant. Styrken til snø er avhengig av mengden tilsatt kjemikalier. Tilsatt mengde antas å påvirke den frie vannmengden i snøen. Mer kunnskap om kuldeblandinger og tilsetting av kjemikalier kan si noe om styrkevariasjoner i snø som igjen vil ha betydning for mekanisk fjerning av snø på veg. Et interessant laboratorieforsøk kan være å blande inn kjemikalier i snø, for så å tilføre vann i de tilfeller der mengden kjemikalier ikke i seg selv er tilstrekkelig for å redusere styrken/smelte snøen. Det vil kunne gi resultater som er av betydning for å øke eller redusere vannmengden ved befukting av kjemikalier på veg. En del av bakgrunn for denne oppgave har vært at det finnes relativt dårlig dokumentasjon om effekten til kjemikaliene utover friksjonsmålinger. Det er dermed å anbefale at det utføres flere laboratorieforsøk som kan danne grunnlag for testing ute i felten. En mer nøyaktig test av frysepunknedsettelse vil være hensiktsmessig. Andre interessante laboratorietester, foruten forsøk med kompaktering av snø, vil være tilfrysning av svake løsninger på asfalt og utarbeiding av prosedyrer utover SHRP for å undersøke underkuttingsegenskaper. Ulike forsøk knyttet til kjemikalienes smelteeffekt vil også indikere forkjeller mellom kjemikaliene. Med smelteeffekt menes da mer fokus mot initieringsfasen enn mot kapasiteten til kjemikaliene over lengre tid. Det kan begrunnes med at kjemikalienes varighet på vegen i mange tilfeller er langt kortere enn varigheten utenfor vegen. Denne rapportens arbeid med alternative kjemikalier har tatt for seg sukker, Aviform og CMA. Det er likevel mange flere kjemikalier og ikke minst kombinasjoner av kjemikalier som bør utforskes og prøves ut. Mitt arbeid danner ikke grunnlag for å velge ut akkurat hvilke som er de mest aktuelle i videre forskning, men gjennom forsøkene med frysepunktnedsettelse har det vært mulig å se at vurderinger rundt kolligative egenskaper vil være et godt startpunkt. Utprøving av alternative kjemikalier for vinterdrift av veger 63

82 Utprøving av alternative kjemikalier for vinterdrift av veger 64

83 8 Kilder Alger,R.G., Beckwith, J.P., Adams, E.E.( 1994) Comparison of liquid and solid chemicals for anti-icing applications on pavement i Transportation Research Record. Nr. 1442: Boyd, R.N., Morrison, R.T, (1992), Organic chemistry. Boston: Prentice Hall Chang, Raymond (2005), Physical Chemistry:for the biosciences. California: University Science book. Colbeck, S.C., Shaw, K. A., Lemieux, G. (1978), The compression of wet snow. CRREL report Hanover: The Laboratory Dill, K.A., Bromberg, S. (2002), Molecular Driving Forces: Statistical Thermodynamics in Chemistry and Biology. New York: Garland Science. Fullerton, G.D., Keener, C.R., Cameron, I.L. (1994), Correction for solute / solvent interaction extends accurate freezing point depression theory to high concentration range i Journal og biochemical and biophysical metods. Nr. 29 (3-4): Gustafsson, A., Gabrielsson, G. (2006), Vinterdrift - Sockerprodukter i kombination med NaCl. Vägverket Produktion. Gustafson, K.(1995), Prov med CMA/saltblanding, VTI särtryck Nr Väg- och transportforskningsinstitutet. Helbæk, M. (1999) Fysikalsk kjemi. Bergen: Fagbokforlaget. Hernes, I. (2005), Magnesiumkloridløysingar som friksjonsbetrande tiltak laboratorieforsøk og oppfølging av feltarbeid. Masteroppgave ved Norges teknisk- naturvitenskaplige universitet. Ihs, A., Gustafson, K. (1996), Test and Evaluation of Calsium Magnesium Acetate-Sodium Chloride Mixtures in Sweden i Transportation Research Board Conference Proceedings Nr. 16: Ihs, A., Möller, S. (2000), Halkbekjämpning vid låga temperaturer. Väg- och transportforskningsinstitutet. VTI notat Ketcham, S.A., Minsk, D.L, Blackburn, R.R., Fleege, E.J. (1996), Manual of Practice for an Effictive Antiicing Program. A Guide For Highway Winter Maintenance Personnel. New Hampshire: US Army Cold Regions Research and Engineering Laboratory. Lang, R.M., Harrison, W.L. (1994), Triaxial tests on dry, naturally occurring snow i Cold Regions Science and Technology. Nr. 23 (2): Larsen,Ø., Lysbakken, K.R., Nonstad, B., Sivertsen, Å. (2007), Vinterdrift. Opplæringsnotat i vinterdrift, Statens vegvesen notat Manning, D.G., Perchanok, M.S. (1993) Trials of calcium magnesium acetate deicer on highways in Ontario i Transportation Research Record Nr.1387: Utprøving av alternative kjemikalier for vinterdrift av veger 65

84 McElroy, A.D., Blackburn, R.R., Kirchner, H.W. (1990) Comparative study of Undercutting and Disbondment Characteristics of Chemical Deicers i Transportation Research Record. Nr. 1268: Mellor, M.(1964), Properties og Snow. CRREL report III-A1. Hanover: The Laboratory Mellor, M., Smith, J.H. (1966), Strength studies on snow i Cold Regions Research & Engineering Laboratory. Hanover Möller, S. (2007), Nya tekniker och metoder innom vintervähållning. VTI rapport. Nr Norem, H. (2008), Presentasjon under modul Drift og vedlikehold: Salting og ulykker knyttet til klima, Harald Norem, høstsemester Palmer, D.A. (1987), Formates as Alternative Deicers i Transportation Research Record. Nr. 1127: Rekstad, H., Hardarsson, V. (2005), Bestemmelse av frysepunkt til natrium-/magnesiumklorid løsninger, SINTEF Energiforskning Statens vegvesen (2003), Vegdirektoratet - Temahefte til håndbok 111. Standard for drift og vedlikehold. Statens vegvesen (1995), CMA: Kalsium magnesium acetat, utprøving av alternativ til salt i vintervedlikeholdet. Driftsavdelingen, Vedlikeholdskontoret. Statens vegvesen ( ), Utdrag av prosjektplan. Etatsprosjekt SaltSMART. Teknologiavdelingen. Svanekil, A. (2007), Forsøk med varmbefuktet salt for å bedre friksjonen på vinterveger. Masteroppgave ved Norges teknisk- naturvitenskaplige universitet. Transportation Research Board (1991) Highway Deicing, Comparing Salt and Calcium Magnesium Acetate. Special Report 235 Washington D.C Vaa, T., Sakshaug, K. (2007) Salting av veger. En kunnskapsoversikt. Teknologirapport Nr Statens vegvesen,vegteknologiseksjonen. Wakahama, G., Mizuno, Y. (1979), Studies on Tensile Strenght of Wet Snow i Transportation Research Board. Special report. Nr.185: Hokkaido University Öberg, G., Gustafson, K., Axelson, L. (1991), Effektivare halkbekämpning med mindre salt. MINSALTprojektets huvudrapport. VTI-rapport 369. Linköping, Statens väg- och trafikinstitut (VTI). Utprøving av alternative kjemikalier for vinterdrift av veger 66

85 Andre kilder: Animasjon: NaCl løst i vann. URL: (Leserdato ) Animasjon: NaCl løst i vann. URL: (Leserdato ) Personlig kontakt med Göran Gabrielsson. Telefonsamtale om testing av sukker i Sverige. (Dato ) Personlig kontakt med Førsteamanuensis Bård Helge Hoff ved NTNU, institutt for kjemi. Samtale om egenskaper til sukker. (Dato ) Personlig kontakt med Professor Harald Norem og Ph.D student Kai Rune Lysbakken, Statens vegvesen. Samtaler gjennom hele masteroppgaven. (Våren 2009) Produktinformasjon Aviform L50. URL: (Leserdato ) Produktinformasjon Sokeri Auringo. URL: sokeri_auringon_fi.pdf (Leserdato ) Produktinformasjon FBOX. URL: (Leserdato ) Forsidefoto: Utprøving av alternative kjemikalier for vinterdrift av veger 67

86 Utprøving av alternative kjemikalier for vinterdrift av veger 68

87 Vedlegg 1 Frysepunktnedsettelse Frysepunktnedsettelse i 1 liter vann Mengde kjemikalie gir T T gir mengde kjemikalie NaClmengde 100 g T, NaCl - 5,0 grader Sukkermengde 100 g T, sukker - 5,0 grader Vannmengde 1000 g = 1 liter Vannmengde 1000 g = 1 liter Kf 1,86 mol-1 kf 1,86 mol-1 Molar vekt NaCl 58,5 mol pr kg Molar vekt NaCl 58,5 mol pr kg Molar vekt sukker 342 mol pr kg Molar vekt sukker 342 mol pr kg molalitet NaCl 1,709 molalitet NaCl 2,688 molalitet sukker 0,292 molalitet sukker 2,688 Vektprosent NaCl 9,1 % Vektprosent NaCl 7,3 % Vektprosent sukker 9,1 % Vektprosent sukker 47,9 % T, NaCl - 6,4 grader NaCl mengde 79 g T, sukker - 0,5 grader Sukkermengde 919 g Mengde sukker nødvendig for å erstatte salt Erstattet NaCl mengde Restmenge NaCl 30 g 70 g T for NaCl - 4,45 grader T nødvendig, sukker - 1,91 grader Mengde sukker nødvendig 351 g Mellomregning: Restmengde NaCl 70 g T nødvendig, sukker - 1,91 grader Vannmengde 1000 g = 1 liter Vannmengde 1000 g = 1 liter kf 1,86 mol-1 kf 1,86 mol-1 Molar vekt NaCl 58,5 mol pr kg Molar vekt NaCl 58,5 mol pr kg Molar vekt sukker 342 mol pr kg Molar vekt sukker 342 mol pr kg molalitet NaCl 1,197 molalitet sukker 1,026 Utprøving av alternative kjemikalier for vinterdrift av veger 69

88 Utprøving av alternative kjemikalier for vinterdrift av veger 70

89 Vedlegg 2 Datablad Cryotech CMA Utprøving av alternative kjemikalier for vinterdrift av veger 71