Anders Svanekil
Forsøk med varmbefuktet salt for å bedre friksjonen på vinterveger
Experiments with warm-wetted salt for increasing the friction on winter roads
Trondheim, juni 2007.
Masteroppgave
NTNU Norges teknisk-naturvitenskapelige universitet Fakultet for Ingeniørvitenskap og teknologi Institutt for Bygg, Anlegg og Transport
Restsalt varmbefuktet salt torsdag 01. februar i forhold til trafikk og tid, kjørefelt 1
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15
-0,50 0,00 0,50 1,00 1,50 2,00 2,50 3,00 3,50 4,00
Tid etter tiltak (i timer)
Restsalt (g/m2)
0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000
Antall kjøretøy (pk)
Mellom hjulspor Høyre hjulspor trafikk
Copyright Svanekil ☺
NORGES TEKNISK-
NATURVITENSKAPELIGE UNIVERSITET
INSTITUTT FOR BYGG, ANLEGG OG TRANSPORT
Dato:
Antall sider (inkl. bilag): 93 Oppgavens tittel: Forsøk med varmbefuktet salt for
å bedre friksjonen på vinterveger.
Experiments with warm-wetted salt for increasing the friction on winter roads.
Masteroppgave X Prosjektoppgave
Navn:
Stud.techn. Anders Svanekil Faglærer/veileder:
Professor Harald Norem
Eventuelle eksterne faglige kontakter/veiledere:
Kai Rune Lysbakken, Statens vegvesen og Håvard Engen, Mesta A/S
Ekstrakt:
Rapporten gir en vurdering av bruk av varmbefuktet salt for å bedre friksjonen på vinterveger, sammenligningsgrunnlaget har vært kaldbefuktet salt og tørt salt. Prosjektet baserer seg på standard befuktning, det vil si 70 vektprosent salt og 30 vektprosent vann. Saltet benyttet i prosjektet har vært natriumklorid, som også er det mest brukte kjemikaliet i vinterdrift per dags dato.
Det er gjennomført en kjemisk / fysisk analyse, laboratorieforsøk og feltforsøk.
Analysene og forsøkene viser ingen eller minimale fordeler ved å befukte salt med 30 vekt - % med varmt eller kaldt vann kontra å spre saltet tørt.
Abstract:
The report considers use of warm - wetted salt for increasing the friction on winter roads compared to cold – wetted salt and dry salt. The project is based on standard wetting, i.e. 70 weight percentage salt and 30 weight percentage water. The salt used in this project is sodium chloride (NaCl) the most common chemical used on Norwegian winter roads today.
This report contains a chemical / physical analyse, laboratory tests and field experiences.
The analyses and tests show no signs of advantage by wetting the salt with 30 weight percentage with warm or cold salt versus dry salt.
Stikkord/ Headwords:
1. Samferdsel – Communication 2. Veg – Road
3. Vinterdrift – Winter maintenance 4. Salting - Salting
5. Varmt vann – Warm-wetted
____________________________________
(sign)
Norges teknisk- Fakultet for ingeniørvitenskap og teknologi naturvitenskapelige universitet Institutt for bygg, anlegg og transport NTNU
Postadresse Høgskoleringen 7a 7491 Trondheim
Telefon 73 59 46 40 Telefax 73 59 70 21
MASTEROPPGAVE
VÅREN 2007 for
Anders Svanekil
Forsøk med varmbefuktet salt for å bedre friksjonen på vinterveger.
Experiments with warm-wetted salt for increasing the friction on winter roads.
Bakgrunn
Bruk av salt for å øke framkommelighet og sikkerhet på vintervegene har vært brukt i Norge i mer enn 30 år. Forbruket av salt til dette formålet har økt spesielt mye de siste 5 årene. Dette har ført til økende bekymring for saltets skadelige effekter på miljøet, og det fører til store kostnader for vintervedlikeholdet. Det er derfor behov for å utvikle metoder for å redusere saltforbruket eller alternative metoder som gir tilfredsstillende sikkerhet og framkommelighet.
De siste to årene har det vært utført enkelte forsøk med å bruke varmbefuktet salt som alternativ til befuktning av saltet med kalt vann. Resultatene av disse forsøkene er lovende, men det er ennå uklart hvordan denne metoden virker i forhold til de mer tradisjonelle metodene for spredning av salt.
Målsettingen for masteroppgaven vil være å øke den fysiske forståelsen av effekten av varmbefuktet salt, og gjennomføre forsøk for å dokumentere eventuelle effekter.
Oppgave
Oppgaven kan deles inn i tre hovedgrupper; fysisk/kjemisk analyse av hvordan salt oppløses i vann, laboratorieforsøk og feltforsøk.
1. Fysisk/kjemisk analyse
Analysene bør konsentreres om sammenhengen mellom oppløsning av salt med hensyn til temperatur på løsningsvæsken og kornstørrelse på saltet. I denne analysen er det også ønskelig å få belyst energibalansene i denne prosessen.
2. Laboratorieforsøk
Primært skal det utføres laboratorieforsøk i kuldelaboratoriet som er best mulig tilpasset de prosedyrene som er beskrevet i SHRP-rapportene. I tillegg er det ønskelig å utføre forsøk for å studere hastigheten på oppløsningen av saltet med hensyn til temperatur, kornstørrelse og fuktighet på vegbanen.
3. Feltforsøk
I samarbeid med Mesta A/S bør det gjennomføres feltforsøk med hensyn på å studere oppløsningshastighetene og saltkonsentrasjonen på vegen for å sammenlikne metodene med tørt salt, kaldbefuktet salt og varmbefuktet salt
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
http://www.ntnu.no/info/selvhjelp/ppt-dokmaler/Masteroppgave/
tittelside med ekstrakt og stikkord,
http://www.ivt.ntnu.no/bat/undervisning/hovedoppgaver/hovedoppgave.html oppgaveteksten (signert)
sammendrag, innholdsfortegnelse inkl. oversikt over vedlegg og bilag hovedteksten
referanser til kildemateriale som ikke er av generell karakter, dette gjelder også for muntlig informasjon og opplysninger
besvarelsen skal ha komplett paginering
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 http://www.ivt.ntnu.no/bat/undervisning/hovedoppgaver/hovedoppgave.html
Hva skal innleveres?
Besvarelsen i original (uinnbundet) To innbundne kopier
Eventuelt: 2 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 er samlet inn med instituttets støtte 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.
Oppgaven gjennomføres i samarbeid med veiledningassistanse fra Mesta A/S. Mesta A/S vil også dekke legitimerte utgifter for løsning av oppgaven, og vil være behjelpelig med gjennomføring av feltforsøk.
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.” Begge dokumentene finnes på fakultetets HMS-sider på nettet, se http://www.ivt.ntnu.no/adm/hms/.
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:
http://www.ntnu.no/studieinformasjon/serving/forsikring.html Oppstart og innleveringsfrist:
Arbeidet med oppgaven starter 15.01.2007.
Besvarelsen, som beskrevet ovenfor, skal leveres innen 25.06.2007.
Ansvarlig faglærer ved instituttet: Harald Norem
Medveiledere: Kai Rune Lysbakken, Statens vegvesen Håvard Engen, Mesta A/S
Trondheim, den 15. januar 2007
Harald Norem Faglærer
Forord
Dette prosjektet er en avsluttende oppgave i undertegnedes mastergradsstudium ved Institutt for Bygg, Anlegg og Transport, fagretning Veg og samferdsel ved NTNU i Trondheim.
Oppgaven er skrevet våren 2007, og har hatt en arbeidsbelastning på 30 studiepoeng.
Utarbeidelsen av masteroppgaven har vært en spennende og lærerik prosess, der overraskende resultater underveis i prosjektarbeidet har gitt ekstra motivasjon.
Oppgaven er skrevet i samarbeid med Statens vegvesen og Mesta A/S, som også har støttet oppgaven økonomisk. Målsetningen for masteroppgaven har vært å øke den fysiske forståelsen av effekten av varmbefuktet salt, og gjennomføre forsøk for å dokumentere eventuelle effekter. Dette er løst ved å gjennomføre kjemisk / fysisk analyse, laboratorieforsøk og feltforsøk.
Undertegnede ønsker å rette en stor takk til Professor Harald Norem, Institutt for Bygg, Anlegg og Transport, Kai–Rune Lysbakken, Statens vegvesen for god veiledning underveis i prosjektet, samt laboratorieingeniørene Tore Menne og Stein Hoseth som har vært behjelpelige med laboratorieforsøkene og feltforsøkene. Takk også til Førsteamanuensis Jens–
Petter Andreassen for hjelp til fysisk / kjemisk analyse, samt Mesta A/S som har gjort feltforsøkene mulige.
Alt datamateriale som er brukt i denne oppgaven er innlevert på egen CD sammen med denne rapporten.
________________________
Anders Svanekil Trondheim, 22.juni 2007
Sammendrag
Gjennom utvikling av strøutstyr for fastsand, ligger det nå til rette for å ta i bruk en metode basert på å tilsette varmt vann som befuktningsvæske til tørt salt. De siste to årene har det vært utført enkelte forsøk med å bruke varmbefuktet salt som alternativ til befuktning av saltet med kalt vann eller saltløsning. Resultatene av disse forsøkene er lovende, men det er ennå uklart hvordan denne metoden virker i forhold til de mer tradisjonelle metodene for spredning av salt. Målsettingen for masteroppgaven har vært å øke den fysiske forståelsen av effekten av varmbefuktet salt, og gjennomføre forsøk for å dokumentere eventuelle effekter.
I dagens vinterdrift er det hovedsakelig natriumklorid (NaCl) som blir benyttet, dette blant annet på grunn av lav kostnad og enkel tilgjenglighet i forhold til andre kjemikalier. Samtlige forsøk med befuktning i dette prosjektet er gjennomført med standard befuktning, det vil si 70 vektprosent salt og 30 vektprosent væske.
For å undersøke eventuelle effekter ved å befukte salt med varmt vann er det blant annet gjennomført en kjemisk / fysisk analyse. Analysen er konsentrert om sammenhengen mellom oppløst salt med hensyn til temperatur på løsningsvæsken og kornstørrelse på saltet.
Løseligheten for NaCl er i liten grad temperaturavhengig. Den viktigste faktoren for å løse opp NaCl er å ha nok tilgjengelig fuktighet på vegbanen eller relativ luftfuktighet (over 73
%).
Oppløsningshastigheten til et salt er avhengig av temperatur og konsentrasjonsforskjell. En annen viktig faktor som vil være med på å påvirke oppløsningshastigheten er hydrodynamikken rundt saltkornene. Mengde salt man vil kunne få oppløst vil i tillegg være avhengig av overflatearealet til saltkornene. Oppløsningshastigheten til NaCl er lite undersøkt i kjemien. Dersom den ønskes å undersøkes nærmere eller tallfestes må det gjøres framtidige undersøkelser på hvordan de ulike faktorene som temperatur, konsentrasjonsforskjell og hydrodynamikk påvirker saltets oppløsningshastighet. I tillegg vil det være behov får å gjøre undersøkelser på hvordan overflatearealet til saltet påviker hvor stor mengde salt man vil kunne få oppløst.
Dersom man ser bort ifra oppløsning av NaCl som følge av tilstrekkelig luftfuktighet kan man som en tommelfingerregel si at man trenger tre gram H2O per gram NaCl for å løse opp saltet.
Dersom man benytter seg av standard befuktning, det vil si 70 vektprosent tørrstoff og 30 vektprosent vann, vil vannet tilført fra vanntanken på fastsandsprederen kunne løse opp cirka 14 % av saltet. 86 % av saltet vil altså være avhengig av å løses opp med hjelp av fuktighet på vegbanen. Det er altså lite å tjene på å befukte salt med 30 % vann med tanke på å påvirke hvor mye salt som vil oppløses. Varmt vann i standard befuktning vil således kunne være med på å påvirke oppløsningshastigheten til rundt 14 % av saltet. Når man i tillegg tar hensyn til det store temperaturfallet som er registrert for en blanding av salt og vann, samt at det ved denne forenklede beregningen ikke er tatt hensyn til separasjon av salt og vann i det blandingen slynges ut fra tallerkenen og fordamping av vann som følge av en høy vanntemperatur, så synes effekten av det varme vannet å være minimal.
I laboratoriedelen er det utført tre standardiserte SHRP (Strategic Highway Reasearch Program) forsøk. Smeltekapasitet, penetrasjon og underkutting. I disse forsøkene ble det benyttet tørt salt og befuktet salt ved forskjellige vanntemperaturer (90, 65 og 20 ºC).
Forsøkene er gjort med sjøsalt med fraksjon 0 – 8 mm. I alle forsøk er det gjennomført seks repetisjoner for å prøve å neglisjere eventuelle tilfeldige resultater.
Smeltekapasitet er en test som viser hvor mye is som blir smeltet. Standardavvik tyder på at dette er den mest robuste av de tre testene. Resultatet fra forsøkene viser at det ikke er vesentlig forskjell på smeltekapasiteten til salt befuktet med varmt vann, kaldt vann eller tørt salt.
Penetrasjonsforsøket viser hvor mye is salt penetrerer ved forskjellige tidspunkt. Resultatene viser at varmbefuktet salt, kaldbefuktet salt og tørt salt penetrerer omtrentlig lik mengde is.
Store standardavvik tyder på at denne testen bør skaleres opp ved framtidig bruk. Samtidig kan det stilles store spørsmålstegn til om denne SHRP testen er hensiktsmessig å bruke i framtidige forsøk som tar sikte på å vurdere penetrasjonsegenskapene til salt.
Underkutting blir benyttet til å beskrive smelteegenskapene mellom en asfaltoverflate og et relativt tynt lag med is. Underkuttingsprosessen skal løse isen fra dekket. Resultater fra testen viser at tørt salt til tider underkutter et mindre areal enn befuktet salt, men denne testen har store standardavvik. Det kan således virke som at forskjell i underkutting kan forklares i tilfeldigheter og usikkerhet rundt testen.
I tillegg til SHRP testene er det gjort forsøkene ”temperaturlogging” og ”termokamera”.
Temperaturlogging viser hvilken temperatur det er på en saltløsning ved forskjellige tidspunkt. Termokamera viser hvor raskt temperaturen på salt og vann reduseres på en asfaltflate og en isflate.
Det er gjennomført fire feltforsøk på E14 øst for Stjørdal sentrum. I feltforsøkene er det blitt benyttet tre metoder; kaldbefuktet salt (20 ºC), varmbefuktet salt (90 ºC) og tørt salt.
Trafikkintensiteten har i området vært på 150 – 200 kjt / t for alle forsøkene.
Tungtrafikkandelen er ikke kjent. Det er gjort analyser for hvert enkelt kjørefelt. Analysen baserer seg på gjennomsnittet av tre målinger med restsaltmåleren Sobo 20. Tre av forsøkene er gjennomført på tørr bar veg og viser at det ikke er vesentlige forskjeller på restsaltmengde eller varighet på tiltak for varmbefuktet, kaldbefuktet eller tørt salt. Ingen av resultatene fra forsøkene tyder på at oppløsningshastigheten går raskere ved tilsetting av vann, verken varmt eller kaldt. For fuktig veg er det gjennomført ett feltforsøk, dette forsøket viser heller ingen fordeler ved varmbefuktet salt i forhold til kaldbefuktet eller tørt salt, verken når det gjelder restsaltmengde, oppløsningshastighet eller varighet på tiltak.
Testing av restsaltmåleren viser at man ved en tørr bar veg har store målingsforskjeller i forhold til hvilken hastighet man trykker munnstykket ned på, i tillegg antyder testingen at dekketilstand med hensyn til forurensninger, sprekker og struktur er avgjørende for restsaltmengde på vegen.
En metaanalyse gjort på tre av feltforsøkene viser at det ikke er noe fordel å befukte saltet kontra å spre tørt salt på en tørr (noe fuktig) bar veg. Analysen viser at nyttegraden i liten grad er avhengig av metode og tiden etter tiltak. Det kan synes som at 80 – 90 % av saltet forsvinner fra kjørefeltet før det har gått 15 minutter. Nyttegraden ligger i gjennomsnitt på 0,1 – 0,2 for alle metodene. Det vil si at man kan utnytte 10 – 20 % av saltet som spres på tørr, eller fuktig bar veg, resten av saltet er i grøften i løpet av kort tid etter tiltak. Det må dog kommenteres at det er stor usikkerhet rundt hva som i virkeligheten er spredt. Det er således behov for supplerende undersøkelser av dette i framtiden.
Den kjemisk / fysiske analysen, laboratorieforsøkene og feltforsøkene viser ingen eller minimale fordeler ved å befukte salt med 30 vekt - % med varmt eller kaldt vann kontra å spre saltet tørt.
Innhold
1 Innledning ... 1
1.1 Generelt ... 1
1.2 Kontakter ... 2
2 Teori ... 3
2.1 Generelt om salt... 3
2.2 Forskjellige typer salt... 4
2.2.1 Generelt ... 4
2.2.2 Magnesiumklorid (MgCl) ... 6
2.2.3 Natriumklorid (NaCl) ... 6
2.3 Preventiv salting ... 10
2.4 Hypotese ... 11
2.5 Befuktet salt ... 12
3 Fysisk / kjemisk analyse... 13
3.1 Generelt ... 13
3.2 Oppløsningshastighet ... 15
3.3 Overflateareal (kornstørrelse) ... 17
3.4 Case ”Varmbefuktet salt” ... 18
4 Laboratorieforsøk... 19
4.1 Smeltekapasitet... 20
4.1.1 Hensikt... 20
4.1.2 Apparat / utstyr... 20
4.1.3 Testprosedyre ... 21
4.1.4 Resultat... 23
4.1.5 Diskusjon ... 25
4.2 Penetrasjon ... 25
4.2.1 Hensikt... 25
4.2.2 Apparat / utstyr... 25
4.2.3 Testprosedyre ... 26
4.2.4 Resultat... 28
4.2.5 Diskusjon ... 30
4.3 Underkutting... 30
4.3.1 Hensikt... 30
4.3.2 Apparat / utstyr... 30
4.3.3 Testprosedyre ... 31
4.3.4 Resultat... 33
4.3.5 Diskusjon ... 34
4.4 Temperaturlogging... 34
4.4.1 Hensikt... 34
4.4.2 Apparat / utstyr... 34
4.4.3 Framgangsmåte... 34
4.4.4 Resultat... 35
4.4.5 Diskusjon ... 35
4.5 Termokamera ... 36
4.5.1 Hensikt... 36
4.5.2 Apparat / utstyr... 36
4.5.3 Framgangsmåte... 37
4.5.4 Resultat... 37
4.5.5 Diskusjon ... 43
5 Feltforsøk... 44
5.1 Innledning ... 44
5.2 Saltkvalitet ... 46
5.2.1 Siktekurver... 46
5.2.2 Vanninnhold ... 47
5.3 Rutiner for dokumentasjon av effekter... 48
5.3.1 Saltkonsentrasjon ... 48
5.3.2 Fuktighet... 49
5.3.3 Kontroll av saltkonsentrasjonen... 49
5.3.4 Klimadata ... 50
5.4 Kalibrering og kontroll av utstyr... 50
5.4.1 Spreder / utlagt masse ... 50
5.4.2 SOBO 20... 52
5.4.3 Temperatur ... 56
5.5 Forsøk 1 ... 59
5.5.1 Generelt ... 59
5.5.2 Resultat... 59
5.6 Forsøk 2 ... 64
5.6.1 Generelt ... 64
5.6.2 Resultat... 65
5.7 Forsøk 3 ... 69
5.7.1 Generelt ... 69
5.7.2 Resultat... 70
5.8 Forsøk 4 ... 75
5.8.1 Generelt ... 75
5.8.2 Resultat... 76
5.9 Nyttegrad... 79
5.10 Diskusjon... 81
5.10.1 Saltmengde ... 81
5.10.2 Forsøk 1... 82
5.10.3 Forsøk 2... 82
5.10.4 Forsøk 3... 82
5.10.5 Forsøk 4... 82
5.10.6 Totalt ... 83
6 Konklusjon ... 84
7 Videre arbeid i forbindelse med salt... 86
7.1 Preventiv salting ... 86
7.1.1 Kalibrering av utstyr ... 86
7.1.2 Samhandling... 86
7.1.3 Framtidige undersøkelser ... 86
7.2 Saltingens effekt på trafikkulykker ... 87
8 Referanseliste ... 88
9 Vedlegg ... 90
Figurliste
Figur 2-1 Fasediagram for ulike kjemiske løsninger (FHWA 1996) ... 5
Figur 2-2 Anbefalt siktekurve for sjøsalt og steinsalt (Statens vegvesen 2004) ... 7
Figur 2-3 Veiledende salttabell (Statens vegvesen 2004) ... 8
Figur 2-4 Variasjon av luft -, dugg - og vegbanetemperatur gjennom døgnet (Vegdirektoratet 2005)... 8
Figur 2-5 Fasediagram for NaCl. Skjematisk, ikke skalert (Statens vegvesen 2004) ... 9
Figur 2-6 Prinsippskisse av restsalt som følge av tid / ÅDT... 11
Figur 2-7 Avviklingsforløp for saltmengder direkte etter salting ved tidspunkt 0 ved ulike metoder og fuktigheter på vegbanen. A er saltmengde før salting og B er tilført saltmengde (Ericsson 1995) ... 12
Figur 3-1 Løselighet NaCl... 14
Figur 3-2 Prinsipiell sammenheng mellom reaksjonskonstanten og temperatur (Andreassen 2007)... 16
Figur 3-3 Vekst og oppløsningshastighet for kalialun ved 32 °C ved forskjellig Δc... 17
Figur 4-1 Pleksiglasskål ... 20
Figur 4-2 Eksempel på resultatet av befuktning med NaCl ... 22
Figur 4-3 Smeltet is i kulderom ved -1 °C ... 23
Figur 4-4 Smeltet is i kulderom ved -5 °C ... 24
Figur 4-5 Nærmere forklaring på penetrasjonstest... 26
Figur 4-6 Penetrasjonsdybde og standardavvik ved -1 °C ... 28
Figur 4-7 Penetrasjonsdybde og standardavvik ved -5 °C ... 29
Figur 4-8 Ab 11 Asfaltstykke... 31
Figur 4-9 Underkutting, måling før og etter 36 minutter for tørt salt ... 32
Figur 4-10 Underkuttet areal i temperatur -1 °C ... 33
Figur 4-11 Temperatur på saltløsning på isflate i kulderom ved -5 °C... 35
Figur 4-12 Termokamera oppstilt i kuldelaboratorium... 36
Figur 4-13 Bilder av salt og vann på bar asfaltflate i kulderom (-1 °C) tatt med termokamera ... 38
Figur 4-14 Bilder av salt og vann på isflate i kulderom (-1 °C) tatt med termokamera ... 40
Figur 4-15 Temperaturer på vann og salt på bar asfalt, samlet resultat ... 41
Figur 4-16 Temperaturer på vann og salt på isflate, samlet resultat ... 42
Figur 5-1 Fastsandsprederen (Falköpinmg LTLV) brukt under feltforsøkene ... 44
Figur 5-2 Organisering av prøvestrekningen ... 44
Figur 5-3 Prøvestrekning på E14 - hp 01 - km 1,6 til 3,6, markert med rødt (NVDB 2007)... 45
Figur 5-4 Siktekurver fra feltforsøk på Stjørdal, våren 2007 ... 47
Figur 5-5 Bilde av Sobo 20 benyttet under feltforsøkene ... 48
Figur 5-6 Bruk av Wettec til oppsamling av fuktighet... 49
Figur 5-7 Refraktometer for manuell kontroll av saltkonsentrasjon ... 50
Figur 5-8 Fiberduk ... 50
Figur 5-9 Området for undersøkelse av Sobo 20, før og etter testing ... 53
Figur 5-10 Testing av Sobo i forhold til ruhet av dekke ... 55
Figur 5-11 Kontroll av kaldt og varmt vann på fastsandsprederen ... 57
Figur 5-12 Bilder av fastsandspreder tatt med termokamera tirsdag 18. april ... 58
Figur 5-13 Resultat varmbefuktet, kaldbefuktet og tørt salt - kjørefelt 1, 01.02.07 ... 60
Figur 5-14 Klima 01.02.07 ... 61
Figur 5-15 Resultat varmbefuktet, kaldbefuktet og tørt salt - kjørefelt 2, 01.02.07 ... 63
Figur 5-16 Bilde av prøvestrekning før tiltak 06.03.07... 64
Figur 5-17 Resultat varmbefuktet, kaldbefuktet og tørt salt - kjørefelt 1, 06.03.07 ... 66
Figur 5-18 Klima 06.03.07 ... 66
Figur 5-19 Resultat varmbefuktet, kaldbefuktet og tørt salt - kjørefelt 2, 06.03.07 ... 68
Figur 5-20 Bilde av prøvestrekning kort tid etter tiltak 20.03.07 ... 69
Figur 5-21 Resultat varmbefuktet, kaldbefuktet og tørt salt - kjørefelt 1, 20.03.07 ... 71
Figur 5-22 Klima 20.03.07 ... 71
Figur 5-23 Resultat varmbefuktet, kaldbefuktet og tørt salt - kjørefelt 2, 20.03.07 ... 73
Figur 5-24 Fuktighetsmåling 20.03.03 ... 74
Figur 5-25 Bilde av prøvestrekning kort tid før tiltak 23.03.07 ... 75
Figur 5-26 Resultat varmbefuktet, kaldbefuktet og tørt salt - kjørefelt 1, 23.03.07 ... 77
Figur 5-27 Klima 23.03.07 ... 77
Figur 5-28 Resultat varmbefuktet, kaldbefuktet og tørt salt - kjørefelt 2, 23.03.07 ... 79
Figur 5-29 Nyttegrad av befuktet og tørt salt i høyre hjulspor... 80
Tabelliste
Tabell 2.1 Tiltak og tiltakstid for veger med forskjellig ÅDT for strategi bar veg... 3Tabell 2.2 Viktige kjemiske egenskaper til kjemikalier som kan benyttes som issmeltemiddel (SINTEF Bygg og miljø 2002)... 5
Tabell 2.3 Kvalitetskrav som stilles til natriumklorid (Statens vegvesen 2004)... 6
Tabell 4.1 Korreksjonsfaktor for sprøytene ... 21
Tabell 5.1 Vanninnhold i saltprøver fra feltforsøkene ... 47
Tabell 5.2 Utlagt saltmengde i følge fiberduk... 51
Tabell 5.3 Rekkefølge på raske og langsomme trykk med Sobo, R for raskt og S for sakte... 53
Tabell 5.4 Resultat testing av Sobo 20, kaldbefuktet salt 50 minutter etter tiltak, fredag 23-03- 07 ... 54
Tabell 5.5 Resultat testing av Sobo 20, varmbefuktet salt 30 minutter etter tiltak, fredag 23- 03-07... 54
Definisjoner / forklaringer
Adiabatisk prosess En prosess er adiabatisk når den skjer uten tilførsel eller avgivelse av varme, det vil si når systemet er helt varmeisolert fra omgivelsene.
Aktiveringsenergi Den energien som skal til for å starte en kjemisk reaksjon
Antibakemiddel Tilsetningsstoff som brukes for at salt (NaCl) ikke skal klumpe seg.
Blandingsforhold Prosentandel salt / prosentandel væske. For eksempel en 80 / 20 blanding vil altså bestå av åtte gram salt og to gram væske for hvert tiende gram.
Duggpunktstemperatur Duggpunktstemperaturen, eller bare duggpunkt er definert som den temperatur fuktig luft må avkjøles til ved konstant trykk for å nå metning. Det vil si at når man får dugg eller rim er luften avkjølt så mye at temperaturen og duggpunktet er like og den relative fuktigheten er 100 %. Duggpunktstemperaturen kan aldri bli høyere enn lufttemperaturen.
Duggpunktet er avhengig av både lufttemperatur og den relative fuktigheten.
Effektiv temperatur Laveste temperatur et issmeltemiddel kan sies å virke.
Eksoterm reaksjon Hvis systemet er varmere etter reaksjonen enn før, må varmen ha strømmet til omgivelsene for å kunne gjenopprette systemet til dets opprinnelige temperatur. I slike tilfeller sies reaksjonen å være eksoterm, og hit hører magnesiumklorids virkningsmekanisme.
På bakgrunn av vanlig varmestrømsteori sies reaksjonsvarmen å være negativ.
Emissivitet Emissiviteten er et uttrykk for varmestrålingsevnen til et materiale, definert som hvor stor del av energien som blir sendt tilbake i
forhold til varmestrålingen fra en svart overflate (svart boks). En svart boks er et materiale som er perfekt på den måten at den stråler ut all varmeenergi som blir absorbert og har derved en emissivitet på 1,0.
Endoterm reaksjon Hvis systemet er kaldere etter reaksjonene enn før, må varmen ha strømmet fra omgivelsene for å kunne gjenopprette systemet til dets opprinnelige temperatur. I slike tilfeller sies reaksjonen å være endoterm, og hit hører natriumklorids virkningsmekanisme.
På bakgrunn av vanlig varmestrømsteori sies reaksjonsvarmen å være positiv.
Eutektisk temperatur Den laveste temperaturen et kjemikalie kan ha, ved en gitt konsentrasjon (før det fryser).
Fasediagram Beskriver løseligheten av et issmeltemiddel og relaterer den kjemiske konsentrasjonen til frysetemperaturen.
Friksjonskoeffisient Friksjonskoeffisienten benevnes ofte med bokstaven μ, og er et mål for kreftene som virker mellom to flater. For is vil friksjonskoeffisienten vanligvis ligge i området 0,15 – 0,20 og for snøføre i området 0,25 – 0,30. En friksjonskoeffisient på 0,15
tilsvarer en bremselengde på 168 m ved en fart på 80 km /t. Med samme fart og friksjonskoeffisient på 0,3 er bremselengden 84 m.
Hydrodynamikk Bokstavelig ”vannbevegelse”
Hygroskopisk Et hygroskopisk materiale er et materiale som kan ta opp og avgi væske fra luften.
Hygroskopiske kjemikalier kan absorbere fuktighet fra omgivelsene.
Denne egenskapen gjør at smelteprosessen kan starte selv om det ikke er vann til stede.
Metaanalyse En analyse av analyser.
NaCl Forkortelse for saltet natriumklorid.
Preventiv salting Salting på vegbane for å forhindre at det blir glatt som følge av nedbør eller riming.
Relativ luftfuktighet Relativ luftfuktighet er definert som forholdet mellom partielltrykket til vanndamp, i en gassblanding av luft og vann, og vanndampens metningstrykk ved en viss temperatur. Relativ luftfuktighet blir uttrykt som prosentandelen av vann i luften.
Standard befuktning Salt som blir befuktet med væske, forholdet er 70 vektprosent tørrstoff og 30 vektprosent væske.
Standardavvik Mål på usikkerhet. Standardavvik er et alminnelig mål på en observasjonsseries spredning.
Varmbefuktet salt Salt som blir befuktet med varmt vann (95 °C).
ÅDT Årsdøgntrafikk er gjennomsnittlig antall kjøretøyer som passerer i løpet av et døgn. Den defineres som summen av antall kjøretøy i året dividert med antall dager i året (365)
1 Innledning
1.1 Generelt
Gjennom utvikling av strøutstyr for fastsand, ligger det nå til rette for å ta i bruk en metode basert på å tilsette varmt vann som befuktningsvæske til tørt salt. I sesongene 2003/2004 og 2005/2006 ble det gjennomført et prosjekt i Lyngdal hvor det ble gjort forsøk med salting på tynn is og på tykkere islag samt at det ble utført preventive tiltak hvor befuktning med varmt vann (95 °C) ble sammenlignet med den tradisjonelle måten å befukte salt ved å tilsette saltløsning. Resultatene av disse forsøkene er lovende, men det er ennå uklart hvordan denne metoden virker i forhold til de mer tradisjonelle metodene for spredning av salt.
Målsettingen for masteroppgaven er å øke den fysiske forståelsen av effekten av varmbefuktet salt, og gjennomføre forsøk for å dokumentere eventuelle effekter.
Oppgaven er delt opp i fire hoveddeler; generelt om salt, fysisk/kjemisk analyse av hvordan salt oppløses i vann, laboratorieforsøk og feltforsøk.
I den første delen blir det omtalt litt generelt om bruk av salt, forskjellige kjemikalier og deres egenskaper. Størst oppmerksomhet får natriumklorid (også omtalt som NaCl) i sammenheng med at dette er det klart mest bruke kjemikaliet i dagens vintervedlikehold.
Den fysiske/kjemiske analysen er konsentrert om sammenhengen mellom oppløsning av salt med hensyn til temperatur på løsningsvæsken og kornstørrelse på saltet. I kapittelet er det også gjort en redegjørelse for hvilken effekt man kan få ved å bruke varmt vann som befuktningsvæske til tørt salt, utgangspunkt her har vært standard befuktning.
Saltet benyttet i laboratorie- og feltforsøkene er sjøsalt, fraksjon 0 – 8 mm.
Laboratorieforsøkene er gjennomført i kulderommet ved vegteknisk laboratorium ved NTNU.
Det er operert med tørt og befuktet salt. I forsøk med befuktet salt har vanntemperaturen variert mellom 20 – 90 °C. Alle forsøkene baserer seg på standard befuktning, det vil si 70 vekt - % tørrstoff og 30 vekt - % væske. Det er gjennomført tre ulike standardiserte SHRP (Strategic Highway Reasearch Program) forsøk. Dette er smeltekapasitet, penetrasjon og underkutting. I tillegg er det gjennomført temperaturlogging av saltløsning på en 3 mm isflate og forsøk med termokamera for å dokumentere temperatur på løsningsvæske på en 3 mm isflate og bar asfalt. Testene i kulderommet er gjennomført ved -1 °C og -5 °C.
Feltforsøkene er gjennomført med bakgrunn i å skaffe dokumentasjon for preventive tiltak på bar veg eller våt bar veg. Det er gjennomført fire feltforsøk der kaldbefuktet, varmbefuktet og tørt salt er representert hver gang. Tre av forsøkene var på tørr bar veg, ett var på fuktig veg.
Datagrunnlaget for analysene gjort i forbindelse med prosjektet ligger vedlagt på CD.
Vurderinger i forhold til miljø-, helseaspektet, kostnader og kapasitetsbegrensninger er ikke gjort i denne oppgaven, men er meget relevante temaer å ta tak i ved en helhetlig vurdering av varmbefuktet salt som friksjonforbedrende tiltak på vinterføre.
1.2 Kontakter
Arne Iversen Driftansvarlig Stjørdal, Mesta AS
95042460 Hans-Morten
Evjemo
Bas Stjørdal, Mesta AS 91108025 hans-
morten.evjemo@mesta.no Harald Norem Professor NTNU
Institutt for bygg, anlegg og transport
73597536 / 91320385
Harald.norem@ntnu.no
Håvard Engen Trainee, Mesta AS 95828814 Havard.engen@mesta.no Jens-Petter
Andreassen
Førsteamanuensis NTNU Kjemisk prosessteknologi, inst
73594209 jensp@chemeng.ntnu.no
Kai-Rune Lysbakken
PhD-studium (dr.ing- student) Statens vegvesen
73954650 / 91369072
Kai-
rune.lysbakken@vegvesen.no Kjell Wiik Førsteamanuensis NTNU
Institutt for materialteknologi Uorganisk kjemi
73594082 kjell.wiik@material.ntnu.no
Stein Hoseth Ingeniør NTNU - Veglaboratoriet
92046467 Stein.Hoseth@ntnu.no Svend Grådahl Forskningsingeniør
SINTEF Materialer og kjemi
98283893 Svend.gradahl@sintef.no
Tore Menne Ingeniør NTNU - Veglaboratoriet
73594732 / 93065265
tore.menne@ntnu.no Torgeir Vaa Seniorforsker SINTEF
Transportsikkerhet og – informatikk
73594673 / 92619401
Torgeir.vaa@sintef.no
2 Teori
2.1 Generelt om salt
Årsaken til at det blir saltet er for å oppnå god trafikksikkerhet og fremkommelighet. I 1995 kom SINTEF ut med en rapport om saltingens effekt på ulykker og kjørefart. Ved hjelp av før/etter – undersøkelser og sammenligningsstudier kom man frem til at salting reduserte antall politirapporterte personskadeulykker i saltingssesongen med rundt 20 % (Hernes 2005).
Håndbok 111 Standard for drift og vedlikehold er i praksis førende for alle riksveger og fylkesveger. Regioner og distriktskontor velger standard i forhold til strategi bar veg og strategi vinterveg. Disse strategiene kjennetegnes ved:
1) Strategi vinterveg:
Omfatter veger hvor det er akseptabelt med snø – og isdekke hele eller deler av vinteren. Strømetoden er sand eller saltblandet sand når kravene til strøing er utløst.
2) Strategi bar veg:
Omfatter veger som normalt skal være snø – og isfrie hele vinteren. ”Bar veg” skal omfatte kjørebane mellom ytterkant av kantlinjene. Strøing med salt er det tiltaket som i størst grad skiller strategi bar veg fra strategi vinterveg. Under strategi bar veg er det hovedsakelig salt (NaCl) som benyttes for å bedre friksjonen. Når klimatiske forhold gjør at kjemiske midler ikke kan / bør brukes, vil strøing med sand eller saltblandet sand være et alternativ.
Salting iverksettes for veger med strategi bar veg i henhold til tabell 1. Tiltak og tiltakstid ved forskjellige ÅDT (Statens vegvesen 2003:2).
Tabell 2.1 Tiltak og tiltakstid for veger med forskjellig ÅDT for strategi bar veg
I tillegg til Tabell 2.1 opplyser håndboka om at når vegen av tekniske grunner ikke kan driftes etter bar veg strategi, kan den i slike perioder driftes etter strategi vinterveg høyeste ÅDT – klasse.
Hovedmålet er at en saltet veg normalt skal være snø – og isfri og ha gode friksjonsforhold når forholdene ligger til rette for salting. For å oppnå dette må det saltes preventivt.
Beslutninger om salting skal tas ut fra de meteorologiske opplysningene en har tilgjengelig gjennom værvarsler, meteogrammer, radarbilder og vegvesenets klimastasjoner (Statens vegvesen 2003:2).
2.2 Forskjellige typer salt
2.2.1 Generelt
Kjemikalier i vinterdriften benyttes enten som preventive tiltak eller som issmeltemiddel.
Bruken av kjemikalier bestemmes i kontrakt mellom byggherre og entreprenør (Engen 2007).
De mest aktuelle kjemikaliene er:
o Natriumklorid (NaCl) o Magnesiumklorid (MgCl2) o Kaliumklorid (CaCl2) o Formeater og acetater o CMA
o Urea
Ut fra pris og effekt er salt i form av natriumklorid (NaCl) det mest vanlige kjemiske midlet som benyttes i vinterdriften i Norge. Av andre salter er det hovedsakelig magnesiumklorid (MgCl2) som det er aktuelt å bruke. Det er i den sammenheng viktig å være klar over at forskjellige salter har ulike egenskaper og kan derfor ikke brukes ukritisk under alle forhold.
Et eksempel er Calsiumklorid (CaCl2) som ikke anbefales fordi saltet bare kan benyttes på tynne ishinner.
Dersom andre kjemiske strømidler enn NaCl skal benyttes må dette avtales på forhånd med Statens vegvesen (Statens vegvesen 2004).
I tabell 2.2 er det satt opp en oversikt over egenskapene til de viktigste kjemikaliene som brukes som issmeltemiddel (SINTEF Bygg og miljø 2002).
Tabell 2.2 Viktige kjemiske egenskaper til kjemikalier som kan benyttes som issmeltemiddel (SINTEF Bygg og miljø 2002)
Som man ser av tabell 2.2 er det store forskjeller mellom ulike kjemikalier. For å illustrere hvilken innvirkning konsentrasjonen på saltløsningen har for fryseforløpet er fasediagrammene for ulike kjemikalier gjengitt i figur 2-1. Det er viktig å presisere at dette er fasediagram for rene stoffer.
Figur 2-1 Fasediagram for ulike kjemiske løsninger (FHWA 1996)
Generelt sett avtar frysepunktet for en saltløsning med økende konsentrasjon opp til det eutektiske frysepunktet som oppnås ved en bestemt konsentrasjon, jfr. Tabell 2.2.
Frysepunktet for saltløsning vil deretter stige etter hvert som konsentrasjonen øker ut over det eutektiske punktet. Saltløsninger som har en konsentrasjon som er lavere enn det eutektiske punktet, har et frysepunkt som er lavere enn smeltepunktet for ren is (0 °C).
I praktisk bruk i vinterdriften, særlig ved fjerning av is, er det viktig å operere med saltløsninger som er så nært som mulig, men mindre enn det eutektiske punktet (SINTEF Bygg og miljø 2002).
2.2.2 Magnesiumklorid (MgCl)
Magnesiumklorid har høy løselighet i vann, og reaksjonen er eksoterm. MgCl2 leveres både som granulat og i flak. Granulatet er 20 % dyrere enn flak. Det er ingen forskjell på løselighet, det er derfor naturlig å bruke flak for å produsere løsning. I tørr form er flak vanskelig å kontrollere, og i slike tilfeller bør MgCl2 eventuelt benyttes i form av granulat. MgCl2 kan brukes til både befuktning og som ren løsning (Hernes 2005).
Magnesiumklorid har en eutektisk temperatur på – 33,3 °C ved en konsentrasjon på 21,6 vektprosent (Tabell 2.2). Det negative med MgCl2 er at det er dyrt. På grunn av høy pris sammenlignet med NaCl, er det ikke aktuelt å bruke MgCl2 som strømiddel i ren form verken i tørr tilstand eller som løsning. Den metoden som anses som å mest aktuell er å befukte NaCl med en MgCl2 – løsning (SINTEF Teknologi og samfunn 2004), noe som vil føre til at fasediagrammet vil nærme seg NaCl.
Det eksisterer per dags dato ingen veiledende salttabell for denne blandingen.
2.2.3 Natriumklorid (NaCl)
NaCl leveres både som sjøsalt og steinsalt, og kan også produseres som vakuumsalt.
Vakuumsalt er det reneste produktet og lages ved å tørke under vakuum en løsning som framstilles ved å injisere vann inn i dype underjordiske saltforekomster. En av fordelene med steinsalt framfor sjøsalt er at steinsaltet inneholder svært lite fuktighet, mens vanninnholdet i sjøsalt kan være relativt høyt (SINTEF Teknologi og samfunn 2004:2).
Det stilles visse kvalitetskrav til saltet når det gjelder vanninnhold, antibakemiddel og maksimal kornstørrelse, Tabell 2.3 viser disse kvalitetskravene(Statens Vegvesen 2004).
Tabell 2.3 Kvalitetskrav som stilles til natriumklorid (Statens vegvesen 2004)
Kvalitetskrav Sjøsalt Steinsalt
Saltinnhold Min. 99 % NaCl
Vanninnhold Maks 3 % Maks 0,5 %
Antibakemiddel 100 – 120 ppm 30 – 60 ppm
Kornstørrelse Maks 8 mm Maks 4 mm
For natriumklorid eksisterer det ingen absolutte krav til siktekurve. En anbefalt siktekurve for sjøsalt og steinsalt finnes. Denne anbefalingen tar utgangspunkt i kvaliteten på saltet som leverandør vanligvis leverer (Vaa 2007). Figur 2-2 viser anbefalt siktekurve for sjøsalt og steinsalt (Statens Vegvesen 2004).
Anbefalt siktekurve for sjøsalt og steinsalt
0,063 0,125 0,250 0,500 1,0 2,0 4,0 8,0 11,2 16,0 22,4 31,5 63,0
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
Sikt (mm)
Gjennomgang masseprosent
Sjøsalt Steinsalt
Figur 2-2 Anbefalt siktekurve for sjøsalt og steinsalt (Statens vegvesen 2004)
For strøing med salt (natriumklorid) kan det benyttes følgende metoder:
o Tørt salt o Befuktet salt o Slurry o Saltløsning
Valg av metode er avhengig av temperatur og føreforhold i henhold til veiledende salttabell (Figur 2-3). Både befuktet salt og slurry tilsettes væske i en viss mengde. Det mest vanlige i Norge er å benytte en løsning basert på NaCl.
Natriumklorid løst i vann har en eutektisk temperatur på -21,1 °C ved en konsentrasjon på 23,3 vektprosent. Praksis i Norge er at det er satt en temperaturgrense for bruk av NaCl på – 6
°C. I litteraturen er det midlertidig angitt at NaCl er effektiv ned til -8 - -12 °C, og kan under ideelle forhold benyttes helt ned til -18 °C. Figur 2-3 viser at den veiledende salttabellen åpner for bruk av NaCl ned til -10 °C. Tabellen beskriver hvor mye salt som skal sprees i gram per kvadratmeter. Bruksområdet og mengder er avhengig av både temperatur, vær – og føreforhold, og metode som blir benyttet (SINTEF Teknologi og samfunn 2004:2).
Figur 2-3 Veiledende salttabell (Statens vegvesen 2004)
Salttabellen sier ikke noe om temperaturen er lufttemperatur eller vegbanetemperatur, men kurs i vinterdrift (Statens vegvesen 2004) poengterer at salt normalt ikke skal benyttes ved lavere lufttemperaturer enn -5 °C.
Det er viktig å være klar over sammenhengen mellom lufttemperatur og vegbanetemperatur.
Det er vegbanetemperaturen, restsaltmengde og fuktighet som er interessant i forhold til hvilken tilstand saltløsningen vil befinne seg i. Figur 2-4 er en prinsippskisse som påpeker sammenhengen mellom lufttemperatur og vegbanetemperatur (Vegdirektoratet 2005).
Figur 2-4 Variasjon av luft -, dugg - og vegbanetemperatur gjennom døgnet (Vegdirektoratet 2005)
”Kritisk” tidspunkt for å eventuelt salte ved for lave temperaturer (dersom man tar utgangspunkt i lufttemperatur) er på natten og tidlig på morgenen. Det er viktig at dersom man vurderer salting i denne perioden på døgnet samtidig som at man ligger på temperaturgrensen (ned mot -10 °C) så bør man måle vegbanetemperaturen for å sjekke om det er forsvarlig eller ikke å salte. Sammenhengen mellom lufttemperatur og vegbanetemperatur bør presiseres nærmere i den veiledende saltingstabellen.
For et saltet vegnett er det fare for glatt vegbane når vegbanetemperaturen er lavere enn duggpunktstemperaturen og vegbanetemperaturen samtidig er lavere enn frysepunktstemperaturen (Vegdirektoratet 2005).
Det er viktig å være oppmerksom på at konsentrasjonen av salt i løsningen ikke blir for svak eller sterk. Et ekstremt eksempel er dersom konsentrasjonen av en løsning økes med tre vektprosent fra 23,3 til 26,3 så stiger frysepunktet for blandingen med 21 °C, fra -21 til 0 °C.
En av målsetningene ved bruk av salt er å ligge i området der løsningen er i væsketilstand, dette er også illustrert i Figur 2-5. Jo lavere temperaturen er, jo trangere er grensene for saltinnhold for å få et vellykket resultat (Statens vegvesen 2004).
Figur 2-5 Fasediagram for NaCl. Skjematisk, ikke skalert (Statens vegvesen 2004)
I tillegg til temperatur, saltmengde og nedbør er trafikkmengde og tungtrafikkandel viktige faktorer som påvirker effekten av saltet. Betingelsen for å få effekt av saltet og spesielt opptørking av vegen etterpå, er at det er tilstrekkelig trafikk i tiden etter at saltet er påført. Det anbefales en trafikkmengde på minst 1500 i ÅDT på veger som skal saltes.
2.3 Preventiv salting
Preventiv salting kan deles opp i fire kategorier (Hernes 2004):
o Før nedbør:
Her vil en salte preventivt før snøfall, ved underkjølt regn og ved regn som treffer et dekke med kuldegrader. Når man salter preventivt, salter man for å unngå at is eller snø skal feste seg på vegen. Ved å salte før snøfall, vil de første snøkornene som treffer asfalten med salt på, smelte. Resten av saltet vil hindre at snøen kompakterer seg. For å hindre glatt vegbane ved underkjølt regn og ved regn som treffer et dekke med kuldegrader, er det effekten til kjemikaliet som kan redusere frysepunktet til vann som man i hovedsak utnytter.
o Salting under nedbør:
I sammenheng med snø eller snøfall skal det ikke saltes før mest mulig av snøen og isen er fjernet mekanisk. Jo mindre snø og is det er på vegen, desto bedre effekt har saltingen. Det skal saltes med så små saltmengder som mulig. Årsaken til dette er:
- Jo mindre saltmengder som blir brukt, jo raskere vil vegdekket tørke opp. Dette fører til en mindre del av vinteren med fuktig veg og dermed mindre sporslitasje og ulemper for trafikantene.
- Lavere forbruk av salt fører til mindre ulemper for miljøet o Ved vann i vegbanen:
Ved økning av temperaturen i en ellers kald periode, vil det kunne komme tilsig av vann fra brøytekantene, og inn i vegen. Man kan salte preventivt for å unngå tilfrysning av dette vannet, og man utnytter da effekten av saltet ved å redusere frysepunktet, for å unngå isdannelse på vegen.
o Utfelling av fukt som fryser på vegen:
Faren for danning av rim er høy når duggpunkttemperaturen ligger under vegbanetemperaturen, og kurven for duggpunkttemperaturen stiger mer enn kurva for vegbanetemperatur (jfr. Figur 2-4) Ved fare for frost, hindrer saltet at det blir dannet islag på vegen.
2.4 Hypotese
Hypotesen lagt til grunn for feltforsøkene er beskrevet nedenfor i form av figur og tekst:
Figur 2-6 Prinsippskisse av restsalt som følge av tid / ÅDT
Y1 = A x e ^bt, der A og b er konstanter og t er tiden etter tiltak Y2 = A2 x e^-b2t, der A2 og b2 er konstanter og t er tiden etter tiltak Y3 = Mengde virksomt salt. Differensen av Y1 og Y2.
Hypotesen påstår at mengden av virksomt salt (Y3) er avhengig av to forhold, hvor raskt saltet oppløses (Y1) og hvor mye salt som er tilgjengelig på vegen (Y2). Salt oppløses med tiden ved å hente fuktighet fra vegbane og lufta, samt at det bearbeides av trafikken. Ved å benytte seg av varmbefuktet salt tror man at saltet vil løse seg opp raskere. I tillegg håper man at mer salt blir igjen på vegen(Lysbakken 2007, in press).
Dersom hypotesen stemmer så vil altså feltforsøkene vise at områdene med varmbefuktet salt gir en høyere maksimal saltkonsentrasjon kontra områder med kaldbefuktet og tørt salt. I tillegg bør tiltak med varmbefuktet salt ha lengre varighet enn kaldbefuktet salt og tørt salt.
En annen viktig faktor som spiller inn på vurderingen av denne hypotesen er troverdigheten til apparatet som blir benyttet til å måle Y3, mengde virksomt salt, SOBO20. Dette er et måleproblem som man er klar over, men i mangel av bedre utstyr så brukes det utstyret man har tilgjengelig.
Tilgjengelig salt på vegen
Mengde virksomt salt
2.5 Befuktet salt
Befuktet salt er NaCl som er blandet med vann eller saltløsning.
I følge Ljungberg (2001) vil befuktning gjøre at saltet blir på vegen i større utstrekning enn med tørt salt. Befuktet salt vil også virke raskere, noe som fører til en bedre effektivitet.
Ericsson (1995) har utviklet en datamodell for å blant annet beregne saltmengden på vegbanen. Denne bygger på feltmålinger av fuktighet og saltkonsentrasjon. Erfaringene fra det svenske prosjektet er gjengitt i Figur 2-7.
Figur 2-7 Avviklingsforløp for saltmengder direkte etter salting ved tidspunkt 0 ved ulike metoder og fuktigheter på vegbanen. A er saltmengde før salting og B er tilført saltmengde (Ericsson 1995)
Av figuren kan man lese att saltløsning ikke gir noen initialtap, mens øvrige metoder har initialtap. Størst forskjell er det ved spredning på tørr vegbane, der har tørt salt nesten ikke noen effekt.
3 Fysisk / kjemisk analyse
Analysene er konsentrert omkring sammenhengen mellom oppløsning av salt, (med hensyn til temperatur på løsningsvæsken), og kornstørrelse på saltet.
3.1 Generelt
Grunnlaget for analysen har vært samtaler med Førsteamanuensis Kjell Wiik ved institutt for materialteknologi og Førsteamanuensis Jens-Petter Andreassen ved institutt for kjemisk prosessteknologi.
Oppløsning av NaCl i forbindelse med salting av veger er en prosess som foregår ved et konstant trykk på cirka 1 atm. Varmeutvekslingen mellom systemet og omgivelsene blir derfor lik endringen i en energistørrelse som kalles entalpi. Formelen for entalpi (ved konstant trykk) er:
H = U + PV
H = entalpi U = Indre energi V = volum
Varmemengden som tilføres systemet (fra omgivelsene) i en prosess ved konstant trykk er lik endringen i entalpi:
Qp = H2 - H1 = Δ H
ΔH>0 Æ Prosessen (systemet) tar imot varme fra omgivelsene. Dette kalles en endoterm prosess.
ΔH<0 Æ Prosessen (systemet) avgir varme til omgivelsene. Dette kalles en eksoterm prosess.
Oppløsning av NaCl er en endoterm reaksjon der stoffet vil absorbere varme ved oppløsning, følgelig vil løseligheten øke med temperaturen (Wiik 2007).
Figur 3-1 viser at NaCl er et salt som har lav hygroskopitet. Natriumklorid trenger 73 prosent relativ fuktighet for å trekke til seg vann, og regnes derfor for å være ikke hygroskopisk. I praksis betyr det at saltet vil absorbere fuktighet fra luften og gå i oppløsning dersom den relative fuktigheten er over 73 % (Minsk 1998). Hvor ofte klima har en luftfuktighet over denne grensen er ikke undersøkt nærmere i dette prosjektet.
Lide (2006) viser løseligheten til NaCl ved varierende vanntemperatur. Løselighet er definert som antall gram salt som det er mulig å løse opp i 100 gram vann.
Løselighet NaCl (gram salt / gram H20) avhengig av temperaturen
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
Vanntemperatur
Antall gram salt løst i 100 g H20
NaCl 35,6 35,9 36,0 36,1 36,3 36,5 36,8 37,1 37,4 37,8 38,1 0°C 10°C 20°C 30°C 40°C 50°C 60°C 70°C 80°C 90°C 100°C
Figur 3-1 Løselighet NaCl
Som man kan se av tabellen er det mulig å løse opp 35,6 gram salt med en vanntemperatur på 0 °C, mot 38,1 gram ved en vanntemperatur på 100 °C. Løseligheten for saltet NaCl er altså i relativt liten grad avhengig av temperaturen på vannet. Den viktigste faktoren for å løse opp NaCl er således å ha nok tilgjengelig fuktighet på vegbanen eller relativ luftfuktighet.
Total løselighet endrer seg lite i det temperaturområdet som er interessant i forhold til varmbefuktet salt. Dersom man ser bort ifra oppløsning av NaCl som følge av tilstrekkelig luftfuktighet kan man som en tommelfingerregel si at man trenger tre gram H2O per gram NaCl for å løse opp saltet. Dersom man benytter seg av standard befuktning, vil vannet tilført fra vanntanken på fastsandsprederen kunne løse opp cirka 14 % av saltet. 86 % av saltet vil altså være avhengig av å løses opp med hjelp av fuktighet på vegbanen.
Løseligheten til NaCl i Figur 3-1 sier kun noe om hvor mye salt som kan løses i H2O, ikke hvor lang tid det tar. Dersom man tar utgangspunkt i resultatene fra feltforsøkene (forsøk med tørr bar veg) viser det seg at man er avhengig av en rask oppløsning av saltet dersom ikke mesteparten av saltet skal havne i grøften (jfr. kapittel 5.9 Nyttegrad). Sentralt i forhold til dette er da oppløsningshastigheten.
Løselighet NaCl (gram salt / 100 gram H2O) avhengig av vanntemperatur
3.2 Oppløsningshastighet
Mullin (2001) viser oppløsningshastighet i form av en formel:
D D
R = K Δ c
(1)RD = oppløsningshastighet
KD = Reaksjonskonstant (variabel avhengig av temperatur) Δc = c - c* = Konsentrasjonsforskjell (tidsavhengig)
c = Konsentrasjonsvariabel: g salt pr 100g vann eller eventuelt pr 100g løsning (det vil si vann + det oppløste saltet)
c* = Løseligheten av NaCl, Figur 3-1
2 2
( )
[ ]
100 ( )
D
g NaCl
R = g H O m s
(2)Mullin viser at oppløsningshastigheten til et salt er avhengig av temperatur og konsentrasjonsforskjell (tidsavhengig).
En annen viktig faktor det ikke blir tatt høyde for i denne formelen er hydrodynamikken rundt saltkornene, som vil ha påvirkning på oppløsningshastigheten av saltet (Andreassen 2007).
KD (Temperatur)
Sammenhengen mellom Reaksjonskonstanten, KD, i en reaksjon og absolutt temperatur finner man gjennom Arrhenius ligning:
2
ln
Dd K E
dT = RT
(3)
E = Aktiveringsenergi for en partikulær reaksjon.
R = Gasskonstanten = 8.314 J/(mol-K) T = Absolutt temperatur
KD = reaksjonskonstant
Ved å integrere (3) og deretter løse denne logaritmisk så ender man opp med ligningen
ln
Dln E
K A
= − RT
(4) A = En konstantVed å løse (4) med hensyn på KDfår man følgende sammenheng:
( E )
RT
K
D= Ae
− (5) Aktiveringsenergien (E) er temperaturavhengig, men en klassisk tilnærming er å si at denne ikke er temperaturavhengig. Dersom man plotter KD og T i et xy - diagram så vil reaksjonskonstanten være eksponentielt avhengig av T (Andreassen 2007).Sam m enheng m ellom reaksjonskonstant og tem peratur
Tem peratur, T
Reaksjonskonstanten, Kd
Figur 3-2 Prinsipiell sammenheng mellom reaksjonskonstanten og temperatur (Andreassen 2007)
Oppløsningshastigheten av et salt er altså meget avhengig av temperaturen på vannet, men data for hastighetskonstanten til NaCl lyktes ikke å finne i litteraturen.
Δc (konsentrasjonsforskjell)
En undersøkelse gjennomført på krystallet kaliumaluminiumsulfat ((KAl(SO4)2·12H2O ), også kjent som kalialun, viser at det er en klar sammenheng mellom oppløsningshastighet (RD) og konsentrasjonsforskjell (Δc) (Figur 3-3).
Figur 3-3 Vekst og oppløsningshastighet for kalialun ved 32 °C ved forskjellig Δc
Oppløsningshastigheten til natriumklorid endrer seg også i forhold til hvor i oppløsningsprosessen man befinner seg. Desto mer salt som løses opp i vann desto mindre blir mengden salt i fast form, og samtidig vil konsentrasjon i løsningen øke. Dette fører til at Δc vil bli mindre og oppløsningen vil ta lengre tid. Dette vil i praksis si at dersom man sprer 10 gram salt på en vegbane vil det første grammet løse seg opp raskere enn det siste grammet.
Hvor mye raskere er usikkert da dette ikke er undersøkt i litteraturen (Andreassen 2007).
3.3 Overflateareal (kornstørrelse)
En annen faktor som er viktig i forbindelse med hvor mye salt man får oppløst vil være overflatearealet. Hvor stor masse salt som man klarer å oppløse (MD) vil være avhengig av reaksjonskonstanten, overflatearealet (A) og konsentrasjonsforskjell:
D D
M = R A c Δ
(6) Mengde salt som man vil kunne oppløse vil altså være avhengig av temperatur, konsentrasjonsforskjell og overflateareal. Noen undersøkelser gjort i forbindelse med NaCl finnes ikke i litteraturen.3.4 Case ”Varmbefuktet salt”
Dette kapittelet gjør en kort redegjørelse for hvilken effekt man kan få ved å bruke varmt vann.
Dersom man tar utgangspunkt i at man er avhengig av 3 ganger så mye vann som salt for å få oppløst natriumklorid så fører dette til at dersom man for eksempel sprer 7 g med natriumklorid så er man avhengig av 21 g med fuktighet for å få løst opp dette saltet. Når man sprer med standard befuktning så vil dette si at man sprer med 70 vekt - % tørrstoff og 30 vekt - % væske. Dersom man sprer 7g salt så sprer man da også 3g vann. Vannet blandes med saltet like før blandingen når tallerkenen og blir spredt ut på vegbanen (hvor tidlig og hvordan dette gjøres er varierende fra fastsandspreder til fastsandspreder).
3 gram med vann vil således kunne være med på å oppløse 1 gram med salt. Hastigheten på denne oppløsningen vil man kunne påvirke med hjelp av temperaturen på tilført vann, hvor mye dette påvirkes er usikkert, men dersom man ser i forhold til tørt salt så vill altså befuktet salt teoretisk sett kunne være med på å løse opp 1 gram mer av saltet enn tørt salt. De resterende 6 grammene av salt vil være avhengig av fuktighet på vegbanen for å kunne bli oppløst.
Noe annet som er med å påvirke oppløsningen av saltet er det forholdet at det ved økende vanntemperaturer vil fordampe mer vann. Dette vil igjen gi utslag i mindre fuktighet på vegbanen enn dersom man hadde befuktet med kaldt.
Et annet aspekt er det faktum at temperaturfallet for en 70/30 blanding er stor. Det vil også skje en separasjon av blandingen i forbindelse med at salt og vann slynges ut på vegbanen fra tallerkenen på sprederen. Hvor stor denne separasjonen vil være er usikkert.
Det varme vannet brukt til å befukte natriumklorid kan ved en standard befuktning maksimalt være med på å løse opp 14 % av saltet som blir tilført vegbanen, resterende salt må løses opp i forbindelse med tilstrekkelig fuktighet på vegbanen eller i lufta. Det er altså lite å tjene på å befukte salt med tanke på å påvirke hvor mye salt som vil oppløses. Varmt vann i standard befuktning vil således kunne være med på å påvirke oppløsningshastigheten til rundt 14 % av saltet, men når man i tillegg tar hensyn til det store temperaturfallet som er registrert for en blanding av salt og vann så synes effekten av det varme vannet å være minimal.
Det foreligger minimalt med litteratur i forbindelse med oppløsningshastighet til natriumklorid. Det er på grunn av dette ikke mulig å tallfeste eller regne på hvilke effekter varmt vann vil kunne ha for oppløsningshastigheten til natriumklorid, men effekten av å tilføre tre gram med varmt vann til hvert tiende gram med salt vil ikke påvirke oppløsningen av NaCl nevneverdig, ei heller oppløsningshastigheten.
Oppløsningshastigheten til NaCl er lite undersøkt i kjemien. Dersom den ønskes undersøkt nærmere eller tallfestes må det gjøres framtidige undersøkelser på hvordan de ulike faktorene som temperatur, konsentrasjonsforskjell og hydrodynamikk påvirker saltets oppløsningshastighet. I tillegg vil det være behov får å gjøre undersøkelser på hvordan overflatearealet til saltet påviker hvor stor mengde salt man vil kunne få oppløst (Andreassen 2007).
4 Laboratorieforsøk
Samtlige forsøk er utført i kulderommet på veglaboratoriet ved NTNU. Kulderommet skal ha en nøyaktighet på ± 0,5 °C. Ved temperaturmålinger inne i rommet kan temperaturen variere med ± 1 °C. Det er ingen sluse som fører inn til kulderommet, men en vanlig dør, med cirka 23 °C på laboratoriet. Størrelsen på kulderommet er 15 – 20 m2 (Hernes 2004).
Alle forsøkene baserer seg på standard befuktning, som vil si 70 vektprosent tørrstoff og 30 vektprosent væske.
Saltet som er brukt i laboratorieforsøkene er sjøsalt 0 – 8 mm.
Smeltekapasitet, penetrasjon, underkutting, temperaturlogging og termokamera er forsøkene som har blitt gjennomført i kulderommet.
Grunnlaget for smeltekapasitet, penetrasjon og underkutting har primært vært Ingvild Hervik sin prosjektoppgave fra høsten 2004 og masteroppgave fra våren 2005, samt SHRP.
Grunnlaget for temperaturlogging og termokamera har vært egen kreativitet.
Standardavvik
For alle laboratorieforsøkene er det beregnet standardavvik. Standardavvik er faglig sett det mest representative og mest alminnelige målet på en observasjonsseries spredning.
Standardavviket er beregnet på grunnlag av utvalgene og gir således empirisk spredning (Blakstad 1995).
4.1 Smeltekapasitet
4.1.1 Hensikt
Målet med testen var å se hvor mye is som ble smeltet av tørt-, kald- og varmbefuktet salt i et gitt tidsperspektiv. I forsøket ble det brukt pleksiglasskåler med vann som fryser til is, og ved påføring av smeltemiddel ble det målt hvor mye disse midlene smelter etter gitte tidsintervaller.
4.1.2 Apparat / utstyr
o Seks pleksiglasskåler med diameter 22,86 cm og dybde 1,905 cm, frest ut fra en firkant med mål 28 x 28 cm.
o Vekt med nøyaktighet på hundredelsgram o Plastikksprøyter med tilhørende nål:
- 60 ml - 10 ml - 5 ml - 2 ml - 1 ml
o Sirkulær aluminiumsplate med diameter 21,5 cm og tykkelse 12 mm o Kjeramikkskåler (eller lignende) til å vege opp saltet i
o Trekloss (cirka 20 cm lang og 5 cm høy) o Stoppeklokker
o Målesylinder med kapasitet opp til minst 130 ml o Arbeidsbord som er i vater
o Destillert vann o Salt
o Kokeapparat med temperaturregulering Nærmere forklaringer til apparat / utstyr
Figur 4-1 Pleksiglasskål
4.1.3 Testprosedyre Kalibrering av sprøytene
I forsøket benyttes sprøyter til å suge opp væske som var i pleksiglasskålene etter gitte tidsintervall. Valg av sprøytestørrelse er avhengig av mengde væske som løses opp. For å måle volumet i hver av sprøytene nøyaktig, ble all væska trekt inn i sprøyta, slik at nåla ikke ble fylt opp. Volummerket på sprøyta viser hvor mye væske det et i sprøyte pluss nål.
Volumet som rommer nåla må således trekkes ifra, denne mengden ble funnet ved kalibrering av sprøytene (Hervik 2005).
Tabell 4.1 Korreksjonsfaktor for sprøytene
Sprøytestørrelse (i ml) Korreksjonsfaktor (i ml) Svanekil kalibrert
Korreksjonsfaktor (i ml) Hernes kalibrert
1 0,1
2 0,2 0,2
5 0,3 0,2
10 0,5 0,5 20
60 1,2 1,1
For å finne nøyaktige mengder for smeltekapasitet må altså korreksjonsfaktoren trekkes fra på alle målinger.
Isforberedelser
Pleksiglasskålene ble vasket med destillert vann.
130 ml med destillert vann ble fylt opp i målesylinderen, og tilført i skålene (tilsvarer en istykkelse på cirka 3 mm). Skålene ble plassert på et bord i vater, og stod til de hadde fryst (over natta).
Når vannet hadde fryst til is, ble en aluminiumsplate snurret rundt på isoverflaten noen ganger til en tynn film av overflatevannet smeltet. Prøven fryste nå til is igjen (Ved temperatur på -1
°C ~ 5 – 6 timer før vannet fryser til is igjen).
Kjemikalieforberedelser
Tørt salt ble veid opp i tre kjemikalieskåler.
I SHRP H-205.1 for issmelting av tørt kjemikalie er det anbefalt ei kjemikalievekt på 4,17 gram. I dette forsøket er det valgt å bruke 4,17 gram med salt for alle tre metodene. For kaldbefuktet og varmbefuktet salt så er det i tillegg tilsatt vann.
I en 70 / 30 blanding vil det altså for den kaldbefuktete og varmbefuktete metoden i tillegg til 4,17 gram salt være cirka 1,8 gram (ml) med vann.
