Magdalena Czarna 1, Michał Ćwiąkała 2, Urszula Kołodziejczyk 3 Uniwersytet Zielonogórski, Instytut Badawczy Innowacyjnych Technologii Sp. z o.o. w Warszawie Skuteczność środków chemicznych stosowanych w zimowym utrzymaniu dróg Wprowadzenie Utrzymanie dróg zgodnie z Ustawą z dnia 21 marca 1985 r. o drogach publicznych (Dz. U. z 2007 r., Nr 19, poz. 115 z późn. zm.) oznacza wykonanie robót remontowych, przywracających stan pierwotny obiektów oraz prac konserwacyjnych, zmierzających do zwiększenia bezpieczeństwa i wygody ruchu w tym działań związanych z odśnieżaniem i zwalczaniem śliskości zimowej. Szczególnie istotne jest zimowe utrzymanie dróg [4, 5, 11], kiedy mamy do czynienia ze śliskością zimową, a ponadto z uszkodzeniami nawierzchni drogowych wskutek wysadzinowości gruntów oraz szkodliwym oddziaływaniem środków chemicznych na środowisko [7, 10, 12, 13, 15, 16, 17, 19, 24]. Zakres prac oraz stosowana technologia zależą od standardu zimowego utrzymania a także od panujących warunków atmosferycznych [9, 23, 31]. W Polsce do usuwania śliskości pośniegowej, gołoledzi i lodowicy wykorzystuje się środki chemiczne oraz niechemiczne, które powinny szybko i sprawnie topić lód oraz usuwać śliskość pośniegową. Zgodnie z wytycznymi zawartymi w Rozporządzeniu Ministra Środowiska z dnia 27 października 2005 r. w sprawie rodzajów i warunków stosowania środków, jakie mogą być używane na drogach publicznych oraz ulicach i placach (Dz. U. z 2005 r., nr 230, poz. 1960) do usuwania i łagodzenia skutków śliskości zimowej w Polsce wykorzystuje się środki: niechemiczne (piasek o średnicy cząstek od 0,1 do 1 mm, kruszywo naturalne lub sztuczne o uziarnieniu do 4 mm); chemiczne w postaci stałej lub zwilżonej (chlorek sodu NaCl, chlorek magnezu MgCl2, chlorek wapnia CaCl2 i inne), a także mieszaniny środków chemicznych i niechemicznych. Najczęściej w zimowym utrzymaniu dróg stosuje się chlorek sodu (NaCl), który wykazuje skuteczne działanie do temp. -6 C. Szerokie możliwości pozyskania NaCl o różnym uziarnieniu i zawartości substancji chemicznych sprawiają, iż w dalszym ciągu jest to środek chętnie stosowany do zwalczania śliskości zimowej mimo postrzegania tego środka jako poważne źródło szkód środowiskowych i gospodarczych [10, 16, 17]. Chlorek wapnia (CaCl2) jest środkiem przeciwoblodzeniowym stosowanym rzadziej niż chlorek sodu mimo dobrych efektów w zwalczaniu śliskości zimowej. Jest to związek higroskopijny, który podczas procesu egzotermicznego (hydratacji), pochłania parę wodną, aż do momentu całkowitego rozpuszczenia się w rozpuszczalniku (woda) z jednoczesnym wydzieleniem ciepła [1]. Chlorek wapnia działa skutecznie w niskich temperaturach do -20 C [2,28]. Niewątpliwie, najbardziej skuteczną i opłacalną metodą zwalczania śliskości zimowej jest metoda chemiczna. Bliskość usytuowania roślinności wzdłuż ciągów komunikacyjnych powoduje, że jest ona narażona na uszkodzenia wywołane eksploatacją dróg oraz działaniem środków chemicznych. Przede wszystkim dotyczy to chlorków, które niszczą nadziemne części roślin (powodując powstawanie przebarwień na liściach oraz ograniczając tempo wzrostu roślin), a wnikając w glebę powodują zmniejszenie jej przepuszczalności [6, 22, 27]. Środki chemiczne stosowane do likwidacji śliskości zimowej przyczyniają się rów- 1 Magdalena Czarna, Uniwersytet Zielonogórski, Wydział Budownictwa, Architektury i Inżynierii Środowiska, Instytut Inżynierii Środowiska, Zielona Góra, Polska, magdalena.czarna@o2.pl 2 Michał Ćwiąkała, Instytut Badawczy Innowacyjnych Technologii Sp. z o.o., Warszawa, Polska, m.cwiakala@ibit.eu.com 3 Urszula Kołodziejczyk, Uniwersytet Zielonogórski, Wydział Budownictwa, Architektury i Inżynierii Środowiska, Instytut Inżynierii Środowiska, Zielona Góra, Polska, U.Kolodziejczyk@iis.uz.zgora.pl 8775
nież do zanieczyszczenia wód powierzchniowych (rzek i jezior), a także wód podziemnych. Ponadto, rozsypywanie środków chemicznych na jezdnię i chodniki powoduje, że zawarta w nich sól wraz z topniejącym śniegiem przenika do szczelin w nawierzchniach, w których następnie zamarza. Podczas zamarzania roztwór wodny zwiększa swoją objętość i powoduje powstawanie rys a następnie pęknięć w nawierzchni. Poza negatywnym wpływem na środowisko i nawierzchnie drogowe wszelkiego rodzaju związków chemicznych stosowanych w zimowym utrzymaniu dróg, nie można zlekceważyć również zniszczeń powłok cynkowych, lakierowych czy stalowych na skutek działania soli [3, 8, 14, 25, 30, 18, 21, 20]. Autorzy pracy postawili sobie za cel zbadanie skuteczności działania środków chemicznych stosowanych najczęściej w Polsce podczas zimowego utrzymania dróg z jednoczesnym wskazaniem substancji najbardziej skutecznych. Metodyka badań Badania doświadczalne przeprowadzono na wydzielonych kwaterach badawczych, utworzonych z warstw lodu o wysokości 0,15 m i powierzchni 1 m 2 każda. W celu sprawdzenia działania wybranych związków chemicznych stosowanych do likwidacji oblodzenia (tab. 1), na każdej powierzchni równomiernie rozprowadzono środki odladzające w ilościach: 15 g/m 2, 20 g/m 2, 25 g/m 2 oraz 30 g/m 2. Otrzymane wyniki badań porównano z próbą zerową (ubytkiem warstwy lodu bez zastosowania środków chemicznych). Do analizy przyjęto średnią wartość z trzech pomiarów przy czym każdy pomiar wykonano na nowej powierzchni. Ubytek warstwy lodu sprawdzano po upływie: 5 min, 10 min, 15 min, 20 min, 30 min, 45 min, 60 min oraz 75 min. Nr powierzchni badawczej 1 Tabela 1. Środki chemiczne użyte w celu likwidacji oblodzenia Nazwa środka chemicznego użytego do badań Stężenie środka chemicznego użytego do badań [%] oraz wzór chemiczny Ilość środka chemicznego użyta w badaniach [g/m 2 ] 2 20 chlorek sodu 100% NaCl 3 25 4 30 5 6 20 chlorek wapnia 80% CaCl 2 7 25 8 30 9 15 10 mieszanina chlorku 20 sodu z chlorkiem 80% NaCl + 20% CaCl 2 11 wapnia 25 12 30 Źródło: własne autorów Wyniki badań 15 15 Konsystencja środka chemicznego użytego do badań substancja stała substancja stała substancja stała Przeprowadzone badania wykazały liniową zależność między ubytkiem warstwy lodu i czasem reakcji związku chemicznego (rys. 1). Najbardziej skutecznym okazał się w tym względzie chlorek wapnia w dawce 30 g/m2 po 75 min spowodował stopienie warstwy lodu o wysokości 11 cm. Analizując działanie poszczególnych środków chemicznych w dawkach: 15 g/m2, 20 g/m2, 25 g/m2 i 30 g/m2 zaobserwowano wyższą skuteczność działania środków o większym stężeniu (rys. 2). Z badań zatem wynika, że dawka reagenta ma istotny wpływ na intensywność procesu likwidacji oblodzenia wraz z dwukrotnym wzrostem dawki zastosowanego środka chemicznego skuteczność jego działania wzrasta o ok. 20%. 8776
ubytekoblodzenia jezdnij [mm] 120 100 80 60 40 20 0 5 10 15 20 30 45 60 75 czas [min] NaCl - dawka 30 g/m² CaCl₂ - dawka 30 g/m² NaCl + CaCl₂ - dawka 30 g/m² Rys. 1. Ubytek oblodzenia jezdni uzyskany przy wykorzystaniu chlorku sodu, chlorku wapnia oraz mieszaniny chlorku sodu z chlorkiem wapnia w dawce 30 g/m 2 ubytek oblodzenia jezdni [mm] 130 120 110 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 5 10 15 20 30 45 60 75 czas [min] NaCl + CaCl₂ 15 g/m² NaCl + CaCl₂ 20 g/m² NaCl + CaCl₂ 25 g/m² NaCl + CaCl₂ 30 g/m² Rys. 2. Ubytek oblodzenia jezdni uzyskany przy wykorzystaniu mieszaniny chlorku sodu z chlorkiem wapnia w dawkach: 15 g/m 2, 20 g/m 2, 25 g/m 2 i 30 g/m 2 Wnioski Uzyskane ubytki oblodzenia były zróżnicowane w zależności od zastosowanego środka chemicznego i dawki, a także czasu działania. Najlepszy efekt w likwidacji oblodzenia uzyskano przy zastosowaniu chlorku wapnia (CaCl2) w dawce 30 g/m 2. Najmniej skutecznym środkiem chemicznym okazał się chlorek sodu (NaCl). Zdaniem autorów intensywność oddziaływania związku chemicznego zależna jest w głównej mierze od zastosowanej dawki reagenta wraz ze wzrostem dawki rośnie skuteczność działania środka chemicznego. 8777
Streszczenie W zimowym utrzymaniu dróg stosuje się różne środki chemiczne, których zadaniem jest zapobieganie i likwidacja śliskości pośniegowej, oblodzenia i gołoledzi. Najczęściej stosowanym materiałem przeciwoblodzeniowym jest chlorek sodu, jednak jego nadmierne stosowanie powoduje uszkodzenia w nawierzchni drogowej, korozje oraz nieodwracalne zmiany w środowisku przyrodniczym. W artykule scharakteryzowano środki chemiczne stosowane najczęściej na polskich drogach chlorek sodu, chlorek wapnia oraz mieszaninę chlorku sodu z chlorkiem wapnia. Celem pracy było sprawdzenie skuteczności działania środków chemicznych, a także wskazanie substancji najbardziej skutecznych w likwidacji oblodzenia. Badania wykazały, że środkiem najskuteczniejszym jest chlorek wapnia. Słowa kluczowe: zimowe utrzymanie dróg, śliskość zimowa, chlorek sodu, chlorek wapnia, mieszanina chlorku sodu z chlorkiem wapnia THE EFFECTIVENESS OF CHEMICAL AGENTS USED IN WINTER ROADS MAINTE- NANCE Abstract In winter roads maintenance used different chemical agents whose task is prevention and elimination slippery of snow, icing and glazed frost. The anti-icing material which is applied most frequently is sodium chloride, however, its overuse results in damages to the road surface, corrosion, as well as irreversible changes to the natural environment. In the publication characterized chemical agents which are applied on the Polish public roads, streets and squares, and in particular: sodium chloride (NaCl), calcium chloride (CaCl2) and mixture of chloride and calcium chloride. Primary the aim of this study was the examination effectiveness of chemical agents variety applied in winter roads maintaining as well as indication of the most efficient substances applied in ice melting. The study included: sodium chloride, calcium chloride and mixture of chloride and calcium chloride. Researches proved that the most effective chemical agent used in winter roads maintaining is calcium chloride. Keywords: winter road maintenance, winter slippery, sodium chloride, calcium chloride, mixture of chloride and calcium chloride Literatura [1] Bach A., Pawłowska B., Pietrzak M.: Zwalczanie skutków zimy. Zieleń Miejska, 1/2009. [2] Bełbacz D.: Zimowe utrzymanie nawierzchni betonowych. Budownictwo Technologie Architektura 1/2008. [3] Bernhardt-Römermann M, Kirchner M, Kudernatsch T, Jakobi G, Fischer A.: Changed vegetation composition in coniferous forests near to motorways in Southern Germany: the effects of traffic-born pollution. Environmental Pollution 143/2006. [4] Bieńka J. i in.: Badanie i kontrola środków chemicznych i uszorstniających stosowanych w zimowym utrzymaniu dróg. Polskie Drogi, Przegląd Techniki Drogowej i Mostowej 2002. [5] Bieńka J. i in. Wytyczne zimowego utrzymania dróg. Załącznik do Zarządzenia nr 18 Generalnego Dyrektora Dróg Krajowych i Autostrad z dnia 30 czerwca 2006 roku, Instytut Dróg i Mostów, Warszawa 2006. 8778
[6] Borowski J.: Zimowy wróg drzew, Zieleń Miejska 12/2012. [7] Cekstere G., Osvalde A.: A study of chemical characteristics of soil in relation to street trees status in Riga (Latvia), Urban Forestry & Urban Greening 12/2013. [8] Czerniawska-Kusza I., Kusza G., Dużyński M.: Effect of Deicing Salts on Urban Soils and Health Status of Roadside Trees in the Opole Region. Environ. Toxic. 19/2004. [9] Dobrodziej E.: Zimowe utrzymanie dróg, Polskie Drogi 12/1995. [10] Findlay S., Kelly V.: Emerging indirect and long-term road salt effects on ecosystems. Annals of the New York Academy of Sciences (1223), Issue: The Year in Ecology and Conservation Biology, New York 2011. [11] Fortuna E., Wojciechowski A: Zimowe utrzymanie dróg wprowadzenie, Materiały specjalistycznych seminariów: Zimowe utrzymanie dróg miejskich. Praca zbiorowa. Część I, Publikacja Polskiego Zrzeszenia Inżynierów i Techników Sanitarnych Nr 690, Warszawa 1995. [12] Gałuszka A., Migaszewski Z.M., Podlaski R., Dołęgowska S. Michalik A.: The influence of chloride deicers on mineral nutrition and the health status of roadside trees in the city of Kielce, Poland. Environ. Monitor. Assess. 176/2011. [13] Green S.M., Machin R., Cresser M.S.: Effect of long-term changes in soil chemistry induced by road salt applications on N-transformations in roadside soils, Environmental Pollution 152/2008. [14] Green S., Machin R., Cresser M.S.: Does road salting induce or ameliorate DOC mobilisation from roadside soils to surface waters in the long term? Environ. Monitor. Assess. 153/2009. [15] Jannson A.: Testing potassium formiate as an alternative de-icer in Finland. Międzynarodowa Konferencja Naukowo Techniczna, Warszawa 2014. [16] Kołodziejczyk U.: Zimowe utrzymanie dróg a ochrona środowiska, Ochrona Środowiska i Zasobów Naturalnych Enviromental Protection and Natural Resources 37/2008. [17] Kołodziejczyk U., Ćwiąkała M.: Evaluation of the efficiency of use aggregates and chemical compounds for winter road maintenance, Civil and Environmental Engineering Reports, University of Zielona Góra Press, Number 3/ 2009. [18] Korpiniemi H., Huttunen-Saarivirta E., Kuokkala V-T., Paajanen H.: Corrosion of cadmium plating by runway de-icing chemicals in cyclic tests: Effects of chemical concentration and plating quality, Surface & Coatings Technology 248/2014. [19] Munck I.A., Bennett C.M., Camilli K.S., Nowak R.S.: Long-term impact of de-icing salts on tree health in the Lake Tahoe Basin: Environmental influences and interactions with insects and diseases, Forest Ecology and Management 260/2010. [20] Obika B., Freer-Hewish R. J., Newill D.: Physico-chemical aspects of soluble salt damage to thin bituminous road surfacing, Pre Conference Proceedings of International Conference on the Implications of Ground Chemistry and Microbiology for Construction, University of Bristol, University of Bristol Press, Bristol 29 June 1 July 1992. [21] Pachowski J.: Przeciwdziałania ujemnym skutkom transportu drogowego na środowisko w Polsce, Materiały sympozjum naukowego: Biologiczne i techniczne sposoby przeciwdziałania ujemnym skutkom motoryzacji w środowisku, Biuletyn Regionalny Zakładu Doradztwa Rolniczego Akademii Rolniczej w Krakowie nr 305, Wydawnictwo Akademii Rolniczej w Krakowie, Kraków 1994. [22] Pecenik A.: Wpływ środkow chemicznych na roślinność przydrożną i miejską, stosowanych do usuwania śliskości zimowej. Wydawnictwa Komunikacji i Łączności, Warszawa 1981. 8779
[23] Pręgowski J.: Wzrost bezpieczeństwa na drogach samorządowych przez zmianę technologii zimowego utrzymania czy to możliwe?, Polskie Drogi 11/2004. [24] Ramakrishna D.M., Viraraghavan T.: Environmental impact of chemical deicers a review, Water Air Soil Pollut. 166/2005. [25] Roe H.M., Patterson R.T.: Arcellacea (Testate Amoebae) as bio-indicators of road salt contamination in lakes, Microb. Ecol. 68/2014. [26] Rozporządzenie Ministra Środowiska z dnia 27 października 2005 r. w sprawie rodzajów i warunków stosowania środków, jakie mogą być używane na drogach publicznych oraz ulicach i placach (Dz. U. z 2005 r., nr 230, poz. 1960). [27] Stypułkowski B.: Zagadnienia utrzymania i modernizacji dróg i ulic, Wydawnictwa Komunikacji i Łączności, Warszawa 2000. [28] Turunen M.: Measuring salt and frezzing temperature on roads, Meteorological Appl. Nr 4, 1997. [29] Ustawa z dnia 21 marca 1985 r. o drogach publicznych (Dz. U. z 2007 r., Nr 19, poz. 115, z późn. zm.). [30] Walker W. H, Wood F. O.: Road Salt Use and The Environment, Highway Research Record No. 425, Highway Research Board, Washington 1973. [31] Wojciechowski A.: Koncepcja Zintegrowanego Systemu Zimowego Utrzymania Dróg Samorządowych, Polskie Drogi 3/2006. 8780