av
Lennart Fransson
Konstruktionsteknik
Tekniska Högskolan i Luleå
På våren 1990 blev jag tillfrågad om jag var intresserad att följa med till Slagnäs i Västerbottens inland för att studera deras biltestningsanläggning. Vid en informell diskussion med ett bilföretag och de ansvariga för isvägarna fick jag frågan om det var möjligt att förbättra iskvaliteten och om issäsongen kunde förlängas. För att bättre kunna svara på dessa frågor var det lämpligt att tillsammans med Bernt Mörtsell, som tillverkat is under lång tid i Slagnäs, göra några praktiska experiment.
Studien (proj nr 9/90) har i huvudsak genomförts under vintern 1991 med finansiellt stöd av stiftelsen COLDTECH. Jag vill också tacka Anders Nilsson vid Centek i Luleå som initierade projektet.
Slutligen ett stort tack till Bernt Mörtsell och hans son samt till Hotell Nausta och Jörgen Stenberg utan vars hjälp detta projekt inte blivit lika roligt.
Luleå i November 1992
Lennart Fransson
Inverkan av kalk och tensider vid gjutning av tunna isskikt har studerats experimentellt. Isens kvalitet beror i hög grad på mängden och storleken av inneslutna luftbubblor. Vid kontrollerad frysning av tensidlösningar tycks produktionen av gasbubblor minska i närvaro av anjoniska tensider. Minskad porositet erhölls också genom att avlufta gjutvattnet men det är svårt att utföra vid praktisk tillämpning. Vit dolomitkalk som slammades upp i gjutvattnet hade två positiva effekter. Vattnet frös snabbare och isen blev vitare. Den vitare isytan reflekterar solstrålning bättre vilket skyddar underlaget mot värme. Hastig uppvärmning av en tjock isyta medför risk för termisk uppsprickning. Därför rekommenderas att isytan sprejas med en tunn vattendimma före vattengjutningen vid kall väderlek.
The effect of limestone and surfactants on thin superimposed ice layers have been examined. The ice quallity is in high extent dependent on the amount and size of encapsulated air bubbles. In laboratory tests a small amount of an anionic surfactant seemed to reduce the production of gasbubbles during freezing. Reduction of porosity in the ice was also obtained by decreasing the air content in the water but this may be somewhat unpractical. White limestone mixed with water showed two positive effects. The water froze faster and the ice became whiter. The whiter ice surface reflected more solar radiation which helps to protect the ground underneeth from heat. Sudden heating of a thick ice cover caused thermal cracking. Therefore it can be recommended that the ice surface in cold weather is sprayed with a fine moisture before flooding.
I vissa sammanhang har iskvalitet en stor betydelse. Det har i bland hänt att bandymatcher och ishockeymatcher har tvingats avbrytas för isen har varit för dålig. Naturligtvis är det värme som förstör isen mest men det finns också annat som påverkar. Genom olämpliga frysningsmetoder kan isen bli porös med dålig hållfasthet som följd. Ett annat problem är att nya påspolade isskikt ibland lätt lossnar från underliggande is.
I samband med halkprovning av bilar är det önskvärt att man har tillgång till stora ytor med is av jämn och god kvalitet. Test av nya bromsystem skulle exempelvis underlättas om isen vore jämn och behöll ungefär samma friktion under en hel dag. Tyvärr är den naturliga sjöisen ofta så skrovlig att det krävs mycket arbete för att åstadkomma bra testbanor. Eftersom det rör sig om stora ytor som snabbt ska vara klara måste de metoder man väljer kunna mekaniseras.
I projektet som beskrivs i denna rapport har vi studerat hur olika faktorer som fryshastighet och vissa tillsatsmedel påverkar iskvaliteten. Småskaliga försök har utförts vid Konstruktions-tekniks laboratorium och utomhus vid Tekniska högskolan i Luleå. Två metoder som bedömdes som mest intressanta har tillämpats i full skala i Slagnäs i Västerbottens inland under perioden mars-april 1991. Resultatet av dessa experiment redovisas tillsammans med några förslag till fortsatt utveckling av metoderna för istillverkning på isbanor.
I våra småskaliga experiment inriktade vi oss framför allt på metoder att minimera isens porositet och på att öka isens vithet. Porer i isen gör den känslig för solinstrålning. Porös is smälter därför snabbare än homogen is, (Walker, 1986). Isens ytskikt bestämmer också förhållandet mellan inkommande och reflekterad solstrålning. Nedan har jag listat några faktorer som kan antas påverka porbildningen i is:
o Temperaturgradient (fryshastighet)
o Vattnets gashalt
o Antalet groddpartiklar
o Vattnets pH
o Vibrationer
o Laddning av fria joner
o Magnetfält
o Upprepad frysning (fryshistoria)
Inverkan av fryshastigheten och vattnets gashalt finns beskriven t.ex i (Maeno, 1966), (Bari och Hallett, 1974) och (Lipp m.fl, 1987). Den gas som finns löst i vatten anses bilda diskreta bubblor vid en viss kritisk gashalt som varierar med tryck och temperatur. Denna mättnadsgrad uppnås vid frysning genom att den i vattnet lösta gasen stöts ut ur iskristallen vid bildandet så att gashalten ökar kraftigt vid gränsytan mellan is och vatten. Vid långsam framryckning av gränsytan (fryshastighet < 9 mm/tim) antas ytspänningen vara orsaken till att isen succesivt stöter luftbubblorna framför sig (under sig vid vanlig frysning av ett istäcke). Vid snabbare frysning (9-18 mm/tim) kommer luftbubblorna att fastna i gränsskiktet och därigenom lokalt ändra geometrin så påföljande luftbubblor lättare fastnar i en linje som är parallell med frysriktningen. Därigenom uppstår sugrörsformiga luftinneslutningar. Då fryshastigheten ökas ytterligare (>30mm/tim) innesluts luften i form av äggliknande bubblor vars storlek minskar med ökad fryshastighet. Vid mycket snabba frysförlopp blir bubblorna så många och så små att isen blir ogenomskinlig. I figur 1 visas schematiskt hur en luftbubbla kan tänkas fixeras och bli infrusen i gränsskiktet mellan is och vatten.
Genom att värma det vatten som sedan ska frysas minskas lufthalten. Vid kokning kan så gott som all luft avlägsnas men vattnet reagerar mycket snabbt med omgivande luft vilket så gott som helt förtar effekten vid praktiska tillämpningar. Om man i stället fryser is långsamt och tinar den minskar lufthalten betydligt samtidigt som vattnet kommer i minimal kontakt med luft. Det finns också en rad andra möjligheter att minska lufthalten i vatten. Vattnet kan mekaniskt behandlas så att lokala undertryck medför luftavgång. Vattnet kan utsättas för ett undertryck så att det kokar i rumstemperatur. Metoderna är troligen mest lämpliga vid laoratorieförsök.
Om vattnets ytspänning minskas samtidigt som gränsskiktet mellan is och vatten ständigt förses med nytt omättat vatten bör det medföra en klarare is.Vibrationer kan antas spela en viktig roll för att förhindra att luftbubblor blir inneslutna i isen. Genom att vatten är en svag dipol kan man misstänka att laddade partiklar på ett avgörande sätt bidrar till att isen kan stöta i från sig luftbubblor som omges av en vattenfilm.
Püringer och Niemann, (1989) redovisar några intressanta experiment och hypoteser angående tensiders påverkan av frysförloppet. Han placerade en vattendroppe på en kall glasplatta och följde frysförloppet med hjälp av ett ljusmikroskop kopplat till en videokamera. Av videon framgår det att gasbubblor bildas och fångas upp vid övergången mellan is och vatten. Denna produktion av gasbubblor tycks minska i närvaro av anjoniska (positivt laddade) tensider. Ett färgfoto i korspolariserat ljus från Püringers video visas i figur 2.
Inverkan av tensider studerades också för större volymer vid avdelningens fryslaboratorium. Vattnet frystes i plastbehållare som rymde ca 3 liter i en kontant lufttemperatur av -30°C. Isen frystes på ett sätt som efterliknar vertikal frysning av en lugn isyta vilket innebär kolumnära iskristaller. Metoden som använts vid LutH ett antal år finns beskriven i (Fransson och Sandkvist, 1985). Då istjockleken var ca 10 cm utborrades provcylindrar vilka analyserades map lufthalt. Tre typer av is tillverkades i dubbla exemplar från följande vätskor:
Vätska i isen Lufthalt i isen1. destillerat vatten 0.27 %
2. destillerat vatten + 1% anjontensid 0.60 %
3. destillerat vatten + 1% katjontensid 1.40 %
Lufthalten som uppmättes genom densitetsmätning var lägst för rent destillerat vatten vilket delvis kan förklaras av att lufthalten i vätskan varit mindre. Genom att blanda tensiden i vattnet kom också större luftmängd att blandas i. Anjontensiden gav emellertid signifikant lägre lufthalt än katjontensiden vilket stöder Püringers teori. I mikroskop observerades att isen med katjontensid hade större antal luftbubblor jämfört med den andra isen. I katjon-isen fanns också små mikroporer som endast var synliga i 50 X förstoring.
Sex små isytor om vardera 1 kvadratmeter frystes utomhus vid högskolan i Luleå. Runda bassänger fylldes med ca 7 cm vatten som fick frysa i ca 1 vecka. Temperaturgivare av termotråd placerades i mitten av varje isyta varefter ett tunnt skikt spolades på. Medel-temperaturen i luften var ca -16°C under frysförloppet. Genom att mäta temperaturen i gränsen mellan ny och gammal is kunde frystiden uppskattas.
Nr Skikt Frystid, tim
1 1 cm vatten, kall is 1.5
2 2 liter kalk, 1 cm vatten 4
3 2 cm slammad kalk 4.5
4 1.5 cm vatten 5
5 2 cm vatten 7
6 2 cm snö/vatten 6
Då vattenskiktet spolades direkt på den kalla isen (försök nr 1) uppkom kraftig sprickbildning genom termiska spänningar, se figur 3. Sprickornas antal kunde reduceras betydligt genom att först spreja den kalla isen med en lätt vattendimma så att isytan värmdes långsamt och sedan (efter ca 10 minuter) spola på hela vattenskiktet. Från varje provyta borrades en 200 mm iskärna. Från iskärnan sågades tunna vertikala skivor som belystes med reflekterande sidoljus. I isen i figur 4 framträder luftporerna och vi kan se att i gränsen mellan isskikten finns ett band av små bubblor.
Det påspolade skiktet kom alltid att frysa från två håll (uppifrån och nedifrån) på ett sådant sätt att fritt vatten blir innestängt i ett skikt i mitten. Expansionen vid frysningen av det sista vattnet gör att det uppstår ett övertyck som medför sämre is. Den slammade kalken (nr 3) fryste något snabbare än rent vatten men isytan påverkades av kalken så att friktionen sannolikt ökade. Vid tillämpning på halkbanor kan ytan om så önskas bevattnas med ett tunnt toppskikt av rent vatten. Det var praktiskt att slamma ut kalken i vattnet före påspolning. Metoden att sprida den torra kalken på isen och sedan vattenbegjuta den (nr 2) fungerade sämre. Kalkskiktet blev ojämt tjockt och kalken löstes inte i vattnet på vissa ställen. Inblandning av snö (nr 6) påskyndade tillfrysningen men resulterade i en skrovlig isyta. Figur 5 visar ett vertikalt snitt på samtliga isytor.
Ett antal kommersiellt tillgängliga tensidblandningar testades på sjöisen i Slagnäs i mars 1991. Relativt koncentrerade blandningar om vardera 4 liter hälldes på den kalla renskottade isen och fick frysa. Följande blandningar testades:
Nr Tensidblandning Volym, liter Koncentration, % Blandningstemp,C1 Grönsåpa 4 1.2 3.8
2 Ariel mjukm 4 1.2 4.5
3 Ariel flytande tvättm 4 1.2 7.4
4 Comfort mjukm 4 1.2 4.8
5 Minirisk mjukm 4 1.2 4.7
6 Minirisk flytande tvättm 4 1.2 5.4
Lösningarna skummade något vid omrörning vilket medförde skum runt kanterna på vattnet som hade hällts på isen. Tensidlösningarna flöt ut över en betydligt större yta än rent vatten men frös något långsammare. Provytorna var i samtliga fall vitare och slätare än den omgivande isen. Av varje lösning sparades ca 1 liter i plasthinkar som fick stå och frysa i ett tält på isen. De olika lösningarna hade alla en lägre fryspunkt än vatten men vid koncentrationen 1 % hade Ariel tvättmedel och Minirisk tvättmedel den minsta fryspunktsnedsättningen.
I Slagnäs plogas varje vinter miltals med breda vintervägar på sjöisen. Isvägarna används som testområde av olika biltillverkande företag. Vissa provsträckor sopas och bevattnas för att erhålla maximalt släta isytor. Sopningen sker maskinellt med horisontellt roterande plast-borstar. Vattningen sker med en mobil vattentank försedd med ett horisontellt sprinklerrör som är placerat ca 0.7 m ovan mark bakom tankvagnen.
En av de redan upplogade isvägarna på sjöisen i Slagnäs valdes som testområde. Fr.o.m den 26 mars 1991 registrerades temperaturen i isen och i luften. Två ytor om vardera ca 4 x 10 meter vattenbegjöts den 5 april med en av tankvagnarna försedd med ett sprinklerrör. Till yta nr 1 blandades 10 kg vit kalk (Strådolomit A60) med 500 liter vatten. Till yta nr 2 blandades 0.5 liter Ariel tvättmedel med 500 liter vatten. Vid vattenbegjutningen användes ca 200 liter av respektive blandning.
Temperaturen som visas i figur 6 registrerades med termotråd varje timme på de påspolade ytornas över- och undersidor samt i luften. Den effektiva skikttjockleken (en del vatten trängde ned i sprickor) uppmättes till ca 0.5 cm.
Luftemperaturen varierade ca 8 grader mellan dag och natt och efter den 2 april var dygns-medeltemperaturen konstant över fryspunkten. Vid påspolnings-tillfället (5 april) sjönk temperaturen under natten till - 8°C men isen hade dessförinnan delvis luckrats upp av kraftig dagsmeja. Av temperaturkurvorna kan man utläsa att under den kalkade isytan var temperaturen konstant (= 0°C) även under varma dagar. Den troliga förklaringen är att solstrålningen i högre grad reflekterades mot den vitare isytan så att den underliggande givaren var relativt opåverkad.
Temperaturmätningarna kompletterades av direkta observationer av isens vithet och avsmältning. Direkt efter pågjutningen fästes skivor av frigolit (20 x 20 cm) mot isytorna som referens för mätning av avsmältning uppifrån. Vid mätning den 13 april 13.00 var höjd-skillnaden ca 50 mm för båda testytorna och obetydligt större för de andra isytorna. Den kalkade isen var fortfarande vitare än omgivningen men kalken hade koncenterats i sprickmönstret. Fotografierna i figur 7 visar den tydliga skillnaden i vithet samt det vackra mönstret som bildats.
Genom att blanda vit dolomitkalk i vattnet vid frysning av isytor uppnås två fördelar. Vattnet fryser snabbare och isen blir mer beständig mot solstrålning. Eftersom friktionen förändras måste dock ett tunnt täckskikt med ren is läggas på. Kalken är lätt att arbeta med och anses bidra till en bättre vattenmiljö genom höjning av pH. Vid anläggning av utomhusbanor rekom-menderas därför grundning med slammat kalkvatten.
Användningen av tensider är däremot diskutabel. Det är viktigt att tillsatsen inte innehåller miljöfarliga ämnen som fosfor och dyl. vilket också sänker fryspunkten. Vi har inte kunnat påvisa att tensiden gav någon tydlig minskning av lufthalten i isen. Tensiderna bidrog därimot till skumbildning och knottrig isyta. Möjligen kan en mycket svag tensidblandning innebära att vattnet lättare flyter ut över en större yta.
Orsaken till att kalklösningen frös snabbare än vanligt vatten kan misstänkas vara den att kalkpartiklarna initierar fasomvandlingen vid många punkter så att värmeledningen till luften förbättras. Om kalk har denna effekt borde kalkpulver provas som tillsatsmedel för snö-kanoner. Effekten av vattnets förhöjda pH-värde studerades inte. Laddningen hos fria joner påverkar porbildningen vid frysningen vilket antyds av de försök som Püringer utfört och som vi sedan verifierat. Ytspänningsteorin (Maeno, 1966) bör kompletteras. Vid snabbare frys-förlopp blir förhållandena så pass turbulenta vid gränskiktet att teorin knappast är tillämpbar.
Genom att vattnet fryser uppifrån vid tillämpningar utomhus blir det svårt att avlägsna luftbubblorna som samlas i gränsen mellan ny och gammal is. I detta fall kan det därför vara fördelaktigt att all luft fördelas jämnt. Om man vattnar med ett tunnt skikt hett vatten eller värmer ytskiktet på den gamla isen kan iskvaliteten därför höjas något. Grundläggande för att uppnå ett bra slutresultat är trots allt förarbetet. I de fall isen är kall eller uppsprucken fungerar inte denna metod. Ytan måste vara plan, ren och absolut vattentät och inte minst viktigt: vädrets makter måste vara med oss.
Projektet som var det första i sitt slag sökte framför allt lösningar på två problem vid storskalig istillverkning:
1. Ojämn iskvalitet
2. Dålig beständighet mot solstrålning.
Under projektets gång valde vi att koncentrera oss på effekterna av kalkinblandning och tensider. Det är emellertid tydligt att även fryshastighet, ingångstemperatur, lufthalt, pH, vibrationer, sättet att sprida vattnet, och inverkan av en rad andra faktorer borde studeras.
I detta projekt gjordes inga studier av isens friktionsegenskaper. Inom curlingsporten t.ex är det känt att isens friktion kan manipuleras. Pebbling dvs små iskulor tillförs isytan är ett exempel på specialpreparering av is. Ishockeymålvakternas isskrapning i målgården före varje period är ett annat exempel.
Under vårsäsongen då medeltemperaturen stiger över fryspunkten är det omöjligt att frysa ny is utomhus. Då kan man kanske i stället skapa fullgoda testytor genom att skrapa av ytskiktet på den tjocka sjöisen. Sådana metoder för isbearbetning vore intressant att studera.
Fortsatt forskning inom detta område kan ske både med inriktning på grundläggande studier om konstfrysning av is och på praktiska metoder för storskalig tillämpning. Den grundläggande experimentella forskningen om isens fysik bör stödjas med teoretiska modeller. Begreppet iskvalitet måste stramas upp och t.ex indelas i hårdhet, hållfasthet, friktion, optiska egenskaper, vidhäftning, kristallstruktur, porositet, mm.
Bari, S. A. and Hallett, J. (1974) Nucleation and growth of bubbles at an ice-water interface. J. of Glaciology, Vol. 13, No. 69, 1974, pp 489-520.
Fransson, L. and Sandkvist, J. (1985) Shear properties of brash ice. POAC-85 in Narssassuaq, Greenland. Proceedings Vol. 1, pp 75-87.
Lipp, G., Körber, CH., Englich, S., Hartmann, U. and Rau, G. (1987) Investigation of the behaviour of dissolved gases during freezing. Cryobiology 24, 1987, pp 489-503.
Maeno, N. (1966) Air bubbles in ice from nucleating and inclusion reactions on the ice-water interface. J. Teion Kagaku, Vol. 24, 1966, pp 91-109. (In Japaneese)
Püringer, J. and Nieman, C. (1989) Studies in freezing of water and aqueous solutions. POAC -89 in Luleå, Sweden. Proceedings, Vol. 3, pp 1394-1417.
Walker, J. (1986) Exotic pattern appear in water when it is freezing or melting. The amateur scientist. July 1986, pp 114-120.