Kalciumkloridens dammbindningsförmåga vid låg temperatur

S T A T E N S

V Ä G I N S T I T U T

S T O C K H O L M

K A L C I U M K L O R I D E N S

D A M M B I N D N I N G S F Ö R M Å G A V I D

L Å G T E M P E R A T U R

On the Dust Binding Capacity of Calcium Chloride at Low Temperature

A V

H. A R N F E L T

F Ö R T E C K N I N G Ö V E R

R A P P O R T E R F R Å N S V E N S K A V Ä G I N S T I T U T E T

S T A T E N S V Ä G I N S T I T U T

1. E rfaren h eter frå n j)rovväg<en vid B ålsta under åren 1932 ocli 1933, av N. von

Matern och S. Hallberg ... 1933 2. Vägbeläggning-ar på landsbygdens allm änna väg ar i Sverige den 1 ja n u a ri 1934 1934 3. Y ägbeläggningar på landsbygdens allm änna vägar i Sverige den 1 ja n u a ri 1935

(Utgången) ... 1935 4. H yvelblandning på kustvägen norr om K alm ar år 1935, av N. von M a t e r n 1936 5. Y ägbeläggningar på landsbygdens allm änna vägar i Sverige den 1 ja n u a ri 1936 1936 6. Y ägbeläggningar på landsbygdens allm änna v ägar i Sverige den 1 ja n u a ri 1937 1937 7. Yägtbeläggningar p å landsbygdens allm änna vägar i Sverige den 1 ja n u a ri 1938 1938 8. Y ägbeläggningar på landsbygdens allm änna vägar i Sverige den 1 ja n u a ri 1939 1939 9. M askinblandning av grusvägbana Södra Åsbo 1938— 1939, av G. Beskow, ( U t ­

gången) ... 1939 10. Y ägbeläggningar på landsbygdens allm änna vägar i Sverige den 1 ja n u a ri 1940 1940 11. M öjligheter till ökad användning av su lfitlu t i S v e r i g e ... 1940 12. Bomullsväv som inlägg i bitum inösa beläggningar av S. Hallberg och A. H jelm ér 1941 13. Y ägbeläggningar på landsbygdens allm änna vägar i Sverige den 1 ja n u a ri 1941 1941 14. N åg ra undersökningar av .sulfitlut, av H. A r n fe l t ... 1941 15. Provväg med olika pågrus vid Derome i H allands län av A. H je hner och B.

Lilje-qvist ... 1941 16. A vnötningsm ätningar p å sm ågatstensbeläggningar ... 1941 17. Y ägbeläggningar på landsbygdens allm änna vägar i Sverige den 1 ja n u a ri 1943.

( U t g ån g en) ... 1943 18. M öjligheter a tt använda hård rum änsk a s fa lt till vägbeJäggningar av S. Hallberg 1943 19. F örslag till enhetlig benäm ning av bitum inösa bindemedel. U niform Classification

of Bitum inous Products According to their T em peratures a t a V iscosity of 500 centistokes av S. H a l l b e r g ... 1945 20. Kalcium kloridens dam m bindningsförm åga vid låg tem peratur. On the D ust B ind­

K A L C I U M K L O R I D E N S D A M M B I N D -

N I N G S F Ö R M Å G A V I D L Å G

T E M P E R A T U R

Under gångna år har på flera håll gjorts den iakttagelsen, att kalciumklorid- behandlade grusvägar dammat starkt under barvinter vid minustemperatur. Till statens väginstitut har därför riktats den frågan, om damningen möjligtvis kunde bero på att kalciumklorid icke har någon förmåga att binda damm vid låg tem­ peratur eller om det finns någon annan orsak, som åstadkommer att vägbanan dammar under barvinter, trots att kalciumklorid tillförts vid tidigare tillfälle.

F ö r att man skall kunna giva ett uttömmande svar på denna fråga, måste man under tiden för inträffad damning studera den dammande vägbanans egenskaper med avseende på väggrusets gradering o. d., vägbanans halt av kalciumklorid och de klimatiska faktorerna. Man måste vidare känna till de egenskaper hos kalcium- kloriden själv, som bestämma dess förm åga att binda damm. De först uppräk­ nade omständigheterna har väginstitutet icke varit i tillfälle att närmare studera, men med utgångspunkt från kalciumkloridens egna egenskaper, kunna några slutsatser dragas, som äro ägnade att till en del giva svaret på den nämnda frågan.

I det följande kommer att givas en kortfattad redogörelse för de egenskaper hos kalciumkloriden, som äro förbundna med dammbindningsförmågan och de slutsatser, man kan draga angående kalciumkloridens dammbindning vid olika temperaturer och deras tillämpning på frågan om dammbindningen vid låg tem­ peratur.

Dammbindning i en vägbana kommer till stånd därigenom att vägbanan till­ föres ett ämne, som har förmåga att klibba tillsammans de olika gruskornen i vägbanan. Den enklaste åtgärden i detta hänseende är det gamla sättet att vattna vägbanan. Vattnet åstadkommer på grund av sin ytspänning att kornen i väg­ banan häfta vid varandra genom förmedling av en tunn hinna av vatten mellan dem, vilket förhindrar att de fina kornen damma bort. E n vägbana, som är våt av vatten, torkar när den relativa fuktigheten i luften ovanför vägbanan är mindre än ioo % , vilket nästan alltid är fallet, utom vid regn eller daggbildning. Om torktiden är tillräckligt lång, hinner allt vatten försvinna från vägbanan och denna börjar ånyo att damma.

Kalciumkloridens egenskap av dammbindande ämne är en följd av dess förmåga att med vatten, som finnes i en vägbana, eller med vattenånga i luften bilda en dammbindande vattenlösning, som icke torkar bort, även då den omgivande luften har en tämligen låg relativ fuktighet.

F i g . 1. J ä m v ik ts d ia g r a m fö r k a lc iu m k lo r id —v a tte n . H e ld r a g n a lin je r: K o n c e n tr a tio n sg r ä n s e r . F in d r a g n a ,, : R e la tiv fu k t ig h e t .

S treck a d e ,, : V a tte n å n g a n s tr y c k ö v er ilö sn in g en i m illib a r (1 000 m illib a r = 750 mm k v ic k s ilv e r ) .

Denna dammbindnings förmåga hos kalciumklorid är sålunda förbunden med uppkomsten av denna lösning. Den dammbindningseffekt, man kan erhålla av en bestämd vikt kalciumklorid, är i första hand bestämd av den därav uppkomna kaiciumkloridlösningens volym, vilken växlar med temperatur och relativ fuktighet.

N är vattenfri kalciumklorid sammanbringas med vatten eller vattenånga, upp­ stå först efter varandra olika fasta kemiska föreningar mellan kalciumkloriden och vattnet, s. k. hydrat, och därefter den nämnda lösningen av kalciumklorid i vat­ ten. Dessa hydrat och lösningen kunna var för sig existera under obegränsad tid, om vissa förutsättningar äro uppfyllda beträffande temperatur, relativ fuktighet och koncentration (dvs. förhållandet mellan kalciumkloridens vikt och vattnets och

kalciumkloridens sammanlagda vikt). De experimentella erfarenheter, som ha

gjorts härom, kunna sammanfattas i ett temperatur-koncentrationsdiagram, ett s. k. jämviktsdiagram, vilket är återgivet i fig. i. Orsaken till att man kallar detta diagram för jämviktsdiagram är, att det endast är tillämpligt, då ett jämviktstill­ stånd råder mellan vattnet och kalciumkloriden. Detta tillstånd in träffar, sedan man låtit alla tillståndsfaktorerna, temperatur, relativ fuktighet och koncentration

faktorer, förändrar sig också systemet kalciumklorid-vatten i riktning mot ett nytt jämviktstillstånd, svarande mot de nya förhållandena.

Om hastigheten i förändringen utsäger diagrammet ingenting. Denna är näm­ ligen beroende på olika omständigheter i varje enskilt fall och kan icke förallmän­ ligas på samma sätt som jämviktstillståndet, vilket är lika för alla enskilda sys­ tem av kalciumklorid och vatten, när de tillståndsbestämmande faktorerna äro lika. Jämviktsdiagrammet i figur i omfattar endast de temperatur- och koncentra- tionsområden, som äro av intresse för dammbindningen, nämligen temperatur­ området —- 2 5 0 till + 50° och koncentrationsområdet o till 60 % kalciumklorid. De tjocka linjerna i diagrammet angiva koncentrationsgränserna för lösningen av kalciumklorid i vatten och för de hydrat, som bildas inom det koncentrations-

område diagrammet omfattar. Hydratens koncentrationsgränser äro så snäva,

att i diagrammet den övre och den undre gränsen sammanfalla.

Linjen AO , som är den undre koncentrationsgränsen för lösningen vid en tem­ peratur över o°, svarar mot rent vatten. Linjen O B är lösningens undre koncentra-

tionsgräns, då temperaturen är lägre än o°. N är koncentrationen av kalcium­

klorid är lägre än denna gräns, uppträder is i lösningen. Lösningens mängd min­ skar, när man i diagrammet rör sig mot koncentrationen noll, där endast ren is existerar. (Linjen O C).

N är lösningens övre koncentrationsgräns överskrides, uppträder i lösningen

ett fast hydrat, under 30° hexahydratet, CaCl2,6H 20, över 30° tetrahydratet,

CaCl2,4H 20, och över 420 dihydratet, CaCl2,2H 20. V id ännu högre koncentra­

tion av kalciumklorid försvinner lösningen och efter varandra uppträda de fasta

hydraten, hexahydratet, tetrahydratet, dihydratet och monohydratet, CaCl2,H 20,

och det vattenfria saltet, CaCl2. Ingen av de nämnda substanserna torde kunna tillskrivas någon dammbindande verkan.

I luften över vattenhaltig kalciumklorid och över vattenlösningen råder i jäm ­ viktstillståndet vid bestämd temperatur ett bestämt tryck av vattenånga och där­ med en bestämd relativ fuktighet. Ändras den relativa fuktigheten, så avges eller upptages vatten ända tills kalciumkloridkoncentrationen blivit den, som svarar mot jämviktstillståndet vid den nya relativa fuktigheten.

De fina linjerna i diagrammet sammanbinda punkter, där den relativa fuktig­ heten över kalciumkloridlösningen har det värde, som utmärkts vid varje linje. De experimentella bestämningar, som ligga till grund för dessa linjer, äro ganska få och delvis också osäkra, varför linjernas dragning är i någon mån hypotetisk, men de ge dock en överblick över den relativa fuktigheten med en noggrannhet, som mycket väl räcker till vid studiet av kalciumkloridens dammbindnings förmåga.

De streckade linjerna sammanbinda punkter, där vattenångans tryck är det,

som angives av dessa linjer. Man ser av linjerna, att vattenångans tryck vid

olika temperaturer är ganska olika, vilket har betydelse för temperaturens in­ flytande på den hastighet, varmed en kalciumkloridlösning ändrar sin koncentra­ tion, då den relativa fuktigheten förändras.

Det är måhända bäst att på detta ställe inflicka en upplysning om, hur den re­ lativa fuktigheten definieras. Med relativ fuktighet förstås förhållandet mellan ett uppmätt tryck av vattenånga till det tryck vattenångan har över vatten eller is vid samma temperatur. Vanligen uttrycker man förhållandet i procent. Denna (Jefinition har till följd, att en med temperaturen kontinuerlig förändring av den relativa fuktigheten över ett ämne skenbart har en diskontinuitetspunkt vid o°. Diskontinuiteten beror i själva verket på, att definitionen på relativ fuktighet

F i g . 2. Sam bandet m ella n den m a x im a la v o ly m lö s n in g 1 k g v a tte n fr i k a lc iu m k lo r id fö rm år a tt b ild a vid o lik a r e la tiv f u k t ig h e t v id -tem p eratu rern a + 4 0°, + 2 0 °, 0 °, — 10° och — 20°.

undergår en förändring vid o°. Över o ° hänföres den relativa fuktigheten till vattenångans tryck över vatten, under o ° är den hänförd till vattenångans tryck över is. Vore den under o ° hänförd till vattenångans tryck över underkylt vat­ ten, så skulle den relativa fuktigheten ha andra värden och någon diskontinuitets- punkt skulle icke uppträda. Riktningsförändringen hos linjerna för den relativa fuktigheten vid o ° är alltså icke bunden till någon särskild egenskap hos kalcium - kloridlösningen utan en definitionssak. Man kan också se det på den kurva, som anger vattenångtrycket 5 millibar. Denna kurva passerar o ° utan någon plötslig riktningsförändring.

I det föregående nämndes, att kalciumkloridens dammbindningseffekt beror av volymen av den lösning, som den förm år att bilda vid given temperatur och relativ fuktighet. A v denna anledning är diagrammet i fig. 2 ett från damm- bindningssynpunkt mycket viktigt diagram, vilket kan konstrueras ur jämvikts- diagrammet och som visar den maximala volym lösning ett kilogram kalcium­ klorid förm år bilda vid olika värden på temperaturen och den relativa fuktig­ heten. Man ser av diagrammet, att det vid varje temperatur existerar ett minsta värde på den relativa fuktigheten, under vilket ingen lösning kan existera. N är detta värde på den relativa fuktigheten överskrides, bildas diskontinuerligt en lösning. I praktiken uppträder icke lösningen plötsligt, då det tar tid för den att bildas och uppnå jämvikt, på grund av att vattenupptagandet tar tid. Omvänt

försvinner icke lösningen plötsligt, på grund av att avdunstningen tar tid.

V id ökad relativ fuktighet ökar lösningens maximala volym. Över o ° blir

volymen till och med oändligt stor vid ioo % relativ fuktighet. Detta är lik­

tydigt med att lösningens koncentration av kalciumklorid är noll. Det behövs ju icke heller någon kalciumklorid i vägbanan för att denna skall bli våt, när det reg n ar! Under o ° finnes på samma sätt en undre gräns för lösningens volym, dessutom har lösningens volym ett ändligt värde vid ioo % relativ fuktighet. Detta beror på att lösningens lägsta koncentration icke kan bli noll, ty den be­ stämmes av linjen O B i jämviktsdiagrammet. Den relativa fuktigheten över en lösning av gränskoncentrationen är ioo % , dvs. densamma som över ren is. Det­

ta m öjliggör att is kan existera i beröring med lösningen under obegränsad tid. Därav följer att ett snöfall, som vid en temperatur under o° trä ffa r en vägbana innehållande kalciumkloridlösning och is i jämvikt med varandra icke gör väg­ banan våtare. Snön och kalciumkloridlösningen kunna under dessa förhållanden icke inverka på varandra.

Erfarenheten visar, att de klimatiska förhållandena i Sverige under sommaren äro sådana, att kalciumkloridens dammbindning blir god, förutsatt att den till­ förts vägbanan i tillräcklig mängd. Det synes dock vara möjligt, att den relativa fuktigheten under en solig dag vid högsommartid antar ett värde, som är så lågt, att det i jämviktsdiagrammet svarar mot existensen av ett fast hydrat och ringa eller ingen lösning. P å grund av att avdunstningen tager tid, hinner vattnet dock troligtvis icke avdunsta i sådan utsträckning, att jäm vikt in träffar och jämvikts- diagrammets förutsägelse blir uppfylld. Temperaturen sjunker ju snabbt under eftermiddagen och kvällen med åtföljande ökning av den relativa fuktigheten över vägbanan. P å kvällen och natten ökar i allmänhet den relativa fuktigheten i luften ganska starkt, ibland ända upp till 100 % , såsom vid daggbildning. K al- ciumkloridhydratet, respektive kalciumkloridlösningen suger då åt sig vatten från luften under bildning av en utspädd lösning, som under nästa dag ånyo mer eller

mindre koncentreras genom vattenavdunstning. Man utnyttjar sålunda under

dessa omständigheter till viss del nattfuktigheten för dammbindningen under dagen.

Under o° har kalciumkloridlösningen, som nämnts i det föregående, en undre gräns för sin koncentration och kan således endast upptaga så mycket vatten, att denna gräns uppnås. Vägbanan kan emellertid trots detta innehålla mera vatten i form av is, som icke har någon dammbindnings förmå ga i samma mening som

kalciumkloridlösningen. N är den relativa fuktigheten är lägre än 100 % , av­

dunstar i första hand isen och sedan vattnet i kalciumkloridlösningen. Emedan dammbindningen endast åstadkommes av kalciumkloridlösningen, vars volym un­ der o ° är begränsad, inses det utan vidare, att dammbindnings förmågan hos en bestämd mängd kalciumklorid under o° är begränsad, trots stort vattenöverskott i vägbanan.

Det synes dock, som om kalciumkloriden borde vara i stånd att åstadkomma en effektiv dammbindning även då barvinter och låga temperaturer råda, om den bara finnes i vägbanan i tillräcklig mängd, förutsatt att den relativa fuktigheten icke är onormalt liten. Såvitt man kan bedöma av Sveriges meteorologiska och hydrologiska instituts rapporter förefaller det, som om den relativa fuktigheten så gott som alltid är tillräcklig under vintern för att kalciumkloriden skall kunna bilda lösning och därigenom binda damm.

Huruvida kalciumklorid finnes i tillräcklig mängd i vägbanan under de bar­ vinterperioder, då damning inträffat är en öppen fråga, enär några undersök­ ningar över detta ännu icke företagits. Det förefaller dock, som om orsaken till damningen skulle ligga däri, att kalciumkloridens mängd har varit otillräcklig. K a l­ ciumkloriden tvättas ju alltid ut ur vägbanan under höstregnen och under perio­ der av tö. Något säkert uttalande om detta kan icke göras, förrän just under en barvinterperiod iakttagelser gjorts på en dammande väg över temperatur, relativ

fuktighet, halten av kalciumklorid i vägbanan och vägbanans beskaffenhet. Om det visar sig att den bristande dammbindningen beror på för liten halt av

kalciumklorid, måste man tillföra vägbanan kalciumklorid. N är man avser att

de i fast tillstånd i form av korn eller flingor. Vattenhalten hos dessa preparat

ä r vanligen omkring 30 % , dvs. kalciumkloriden föreligger i dessa såsom en bland­ ning av monohydrat och dihydrat, med dihydratet i övervägande mängd. Med vat­ ten i vägbanan och med fuktigheten i luften bildar det utspridda saltet så småning­ om en lösning, 0111 temperaturen och den relativa fuktigheten ha sådana värden, att en lösning kan bildas, vilket alltid förr eller senare blir fallet. Sprider man kal­ ciumkloriden på vintern i form av flingor eller korn, så kan det hända, att det fasta saltet tämligen länge kommer att ligga på den troligtvis hårdfrusna väg­ banan och löpa stor risk att sprättas ned i diket av trafiken, innan det hunnit

bilda den dammbindande lösningen. V id låg temperatur bör nämligen vatten­

upptagandet ur luften försiggå ganska långsamt, emedan vattenhalten i luften vid låga temperaturer är låg, även då hög relativ fuktighet råder. Så innehåller t. ex. en kubikmeter luft vid 100 % relativ fuktighet vid -f 20° omkring 18 g vatten och vid — 1 2 0 bara omkring 1,7 g vatten.

Vid låg temperatur bör man nog föredraga att tillföra vägbanan kalciumklorid i form av koncentrerad lösning. Denna tränger säkerligen tämligen snabbt ned i vägbanan. Om is finnes i vägbanan, löses isen helt eller delvis upp av den kon­ centrerade lösningen, som därigenom utspädes. Om isen icke räcker till för att bilda en lösning av den koncentration, som svarar mot den rådande relativa fuk­ tigheten, tager lösningen sedan ostörd upp det felande vattnet ur luften.

L it ter at nr're fe re n ser:

1 ämviktsdiagrammet har konstruerats med användning av värden tagna av föl­ jande avhandlingar, de olika författarnas värden ha i en del fall vägts mot var­ andra och ett slags medelvärden ha sedan använts. Den avvikelse från de verk­ liga värdena, som kan finnas i diagrammet, är för det ändamål, som diagrammet använts för i denna uppsats, helt betydelselös. Instabila tillstånd åstadkomma i i en del fall störningar, till dessa ha ingen hänsyn tagits, då diagrammet endast å te r ge r j äm vikt st i 11 stånd.

H Hammert, Sitzungsberichte der Akademie der W issenschaften zu Wien,

rnathematisch-naturwissenschaftliche Klasse, 78. 59. 1878.

B. Roozeboom, Recueil des T ravau x chimiques des Pays-Bas, 8. 1. 1889. N. K . Sidgw ick och E. K . Ew bank, Journal of the Chemical Society, i 2 j . 2 2 68.

1924.

W. R. Hamrin och E. P. Perm an, Transaction of the Faraday Society, 23.

i. 1927.

K . Lin ge, Zeitschrift fur die gesamte Kälteindustrie, 36. 189. 1930.

K . L in g e, International Bulletin of Information on Refrigeration, 10. 1929,

Annex 5.