Einsatz von CaCl2 zur Staubbekämpfung und -stabilisierung auf Straßen
Von Suren Mishra, Ph.D | Ph.D, TETRA Technologies, Inc. | Januar 21, 2021
Einführung
Überall auf der Welt werden die meisten Waren, Materialien und Lebensmittel über herkömmliche Straßen transportiert, da die Kapazität und Reichweite von Zügen begrenzt ist. In den Vereinigten Staaten gibt es etwa vier Millionen Meilen an Straßen, darunter befestigte Autobahnen, Schnellstraßen, gebührenpflichtige Straßen, Stadt- und Vorortstraßen sowie unzählige Landstraßen, von denen viele nicht asphaltiert oder befestigt sind. Tatsächlich sind etwa 35 % der US-Straßen unbefestigt, und der Verkehr auf diesen Straßen kann enorme Mengen Staub aufwirbeln. Und ob gepflastert oder nicht, alternde Straßen erfordern regelmäßige Wartung und sogar größere Reparaturen.
Staubkontrolle und Stabilisierung von unbefestigten Straßen
Die Ausbreitung von Staub ist ein großes Problem bei unbefestigten Straßen, da er die Sicht auf die Fahrbahn und den Verkehr behindert, die Vegetation am Straßenrand und die Pflanzen in der Umgebung schädigt und ein Gesundheitsrisiko darstellt. Die Abhilfe ist jedoch einfach und erschwinglich: TETRA ROADMASTER™ flüssiges Calciumchlorid. CaCl2 wird seit Jahrzehnten als sicheres, kostengünstiges Mittel zur Staubkontrolle und -stabilisierung auf unbefestigten Straßen und anderen Oberflächen wie Schotterparkplätzen und Lagerplätzen eingesetzt. Die hygroskopischen und zerfließenden Eigenschaften von CaCl2 halten die behandelte Oberfläche über einen weiten Temperatur- und Luftfeuchtigkeitsbereich feucht, und die Feuchtigkeit verhindert die Staubbildung.
TABELLE 1 - Mindesttemperaturen und entsprechende relative Luftfeuchtigkeiten, bei denen CaCl2 Feuchtigkeit aus der Atmosphäre absorbiert.
Wie aus Tabelle 1 hervorgeht, kann CaCl2 selbst dann noch Feuchtigkeit aus der Atmosphäre aufnehmen, wenn die Temperatur der Straßenoberfläche 37,7 °C (100 °F) oder mehr beträgt und die relative Luftfeuchtigkeit 20 % beträgt - was in den US-Sonnengürtelstaaten und anderen subtropischen und tropischen Regionen häufig der Fall ist. Auch bei niedrigeren Temperaturen und höherer relativer Luftfeuchtigkeit nimmt CaCl2 weiterhin Feuchtigkeit aus der Atmosphäre auf und hält sie fest, wodurch Staub unterdrückt wird.
Die Menge an ROADMASTER CaCl2, die für eine bestimmte Staubschutz- und Stabilisierungsanwendung benötigt wird, hängt von der Partikelgrößenverteilung des zu behandelnden Straßenzuschlags sowie von den Umweltbedingungen der Fahrbahn und der Region ab. Bei einer typischen Anwendung wird eine wässrige Lösung von ca. 35% CaCl2 auf die vorbereitete Oberfläche mit ca. 0,35 Gallonen pro Quadratmeter aufgetragen, wobei die Straße je nach Verkehrsaufkommen regelmäßig mit ca. 0,20 Gallonen pro Quadratmeter gewartet wird. Bei hohem Verkehrsaufkommen und rauem Klima kann eine vollständige Neuaufbringung von flüssigem CaCl2 jährlich oder saisonal erforderlich sein.
Bau und Erneuerung des Straßenbelags
Neu gebaute Straßen und solche, die vollständig erneuert werden müssen, können ebenfalls von den Eigenschaften von TETRA ROADMASTER CaCl2 profitieren. Die richtige Dichte und damit die Stabilität der darunter liegenden Gesteinskörnung einer Straße hängt in hohem Maße von der Aufrechterhaltung eines optimalen Feuchtigkeitsbereichs ab. Eine Gesteinskörnung, deren Feuchtigkeitsgehalt außerhalb des optimalen Bereichs liegt - entweder zu trocken durch Verdunstung oder zu nass durch starke Niederschläge und Feuchtigkeitseinlagerungen - verliert an Stabilität, insbesondere unter der Belastung des Verkehrs.
Die Behandlung des Straßenbelags mit TETRA ROADMASTER CaCl2 trägt jedoch dazu bei, den Feuchtigkeitsgehalt innerhalb des optimalen Bereichs zu halten. Die Eigenschaften des Produkts, insbesondere seine Hygroskopizität und die Fähigkeit, den Dampfdruck von Wasser zu senken, hemmen die Verdunstung und tragen so zur Stabilität und Langlebigkeit des behandelten Straßenunterbaus bei. Darüber hinaus erleichtert CaCl2 mit einem angemessenen Anteil an feinen und ultrafeinen Partikeln eine bessere Verdichtung der Gesteinskörnung, und eine dichtere Verdichtung wirkt als Barriere gegen Übersättigung durch Niederschläge.
Wie Tabelle 2 zeigt, sind die Kosten für CaCl2 auch geringer als die anderer Materialien, die zur Stabilisierung von Aggregaten für den Straßenbelag verwendet werden, und zwar fast um die Hälfte im Vergleich zu der weit verbreiteten Mischung aus Flugasche und Kalk (oder Zement).
TABELLE 2 - Kostenvergleich von Materialien, die üblicherweise als Zuschlagstoffe für die Stabilisierung von Fahrbahnen verwendet werden.
Sanierung von Straßen
TETRA ROADMASTER CaCl2 eignet sich auch ideal für den Einsatz bei der vollständigen Rekultivierung (oder dem Recycling), einer immer häufiger eingesetzten Straßensanierungstechnik. FDR ist ein Verfahren, bei dem der vorhandene Straßenunterbau pulverisiert, befeuchtet und verdichtet wird, um die Stabilität des Untergrunds für eine neue Oberfläche aus Splitt, Asphalt oder Beton wiederherzustellen. Das Verfahren ist kosteneffektiv und zeitsparend, da es den Abtransport von altem Material zur Entsorgung und das Einbringen und Verteilen neuer Zuschlagstoffe für den Straßenunterbau überflüssig macht.
Die Verwendung von CaCl2 bei FDR-Projekten wird in den USA immer mehr zur gängigen Praxis, da es eine kostengünstige Alternative zur mehrfachen Anwendung von Wasser oder zur Verwendung von Zusatzstoffen wie Lignosulfonaten, Erdölharzen und Asphaltemulsionen darstellt, die die Kosten und die Dauer der Reparatur erhöhen. Die Verwendung von Wasser beispielsweise erfordert oft wiederholte Anwendungen, um der Verdunstung entgegenzuwirken, was jedoch feine Partikel, die für die Stabilität wichtig sind, wegspülen kann, wodurch die Tragfähigkeit der Straße beeinträchtigt wird. Die Verwendung von klebrigen Harzen oder Emulsionen vergrößert die Arbeit erheblich, da sie an Lkw-Ladeflächen und Baumaschinen haften und die Ausbringung erschweren, insbesondere bei hohen Umgebungstemperaturen.
Im Allgemeinen werden bei FDR-Anwendungen die oberen 6 bis 8 Zoll der Gesteinskörnung vor der Pulverisierung mit etwa 2,4 Gallonen pro Quadratyard flüssigem CaCl2 behandelt. Anschließend erfolgt eine leichtere Behandlung, nachdem die Straße vor der Verdichtung in ihre endgültige Form gebracht wurde.
Wissenschaftliche Erkenntnisse über CaCl21
Forschungsarbeiten unter der Leitung der Texas A&M University haben gezeigt, dass CaCl2 die Kohäsion von körnigen Materialien wie Erde, Flugasche, Zement und Kalk verbessert und damit die Stabilität erhöht und die Staubentwicklung verhindert. Die Eigenschaften, die einen solchen Zusammenhalt ermöglichen, sind die Hygroskopizität und das Zerfließen der Chemikalie über einen breiten Temperatur- und Feuchtigkeitsbereich sowie ihre Fähigkeit, die Oberflächenspannung von Flüssigkeiten in den Hohlräumen zwischen den Partikeln zu erhöhen. Letzteres verbessert die Kohäsion zwischen den Partikeln, was zu einem stärkeren, stabileren Material für Straßenbeläge führt. Zu den wichtigsten wissenschaftlichen Erkenntnissen gehören:
- CaCl2 in Verbindung mit einem ausreichenden Anteil an feinen und ultrafeinen Partikeln erhöht die Dichte und Festigkeit von verdichteten Böden und anderen partikelförmigen Materialien.
- CaCl2 erhöht die Oberflächenspannung der in einer Partikelmatrix gebundenen Feuchtigkeit, wodurch die kohäsive Bindung zwischen den Partikeln erhöht wird und ein stärkeres, stabileres Substrat entsteht.
- Straßenbeläge mit ausreichend feinen und ultrafeinen Partikeln, die mit CaCl2 behandelt wurden, können eine Tragfähigkeit von bis zu 233 Tonnen pro Quadratyard erreichen, was die Spezifikationen für Sekundärstraßen in den USA übertrifft.
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Endnote 1SieheD. Saylak, C.K. Estakhri, S. Mishra, D. Sinn (2003), "Base Stabilization and Dust Control Using Calcium Chloride and Fly Ash". 2003 International Ash Utilization Symposium, Center for Applied Energy Research, University of Kentucky, Paper No. 19.
