新型融雪劑研究及工程應(yīng)用

王文峰，吳冬生，吳春穎，宗 海，朱浩然

（1.蘇交科集團(tuán)股份有限公司，江蘇 南京 211112；2.南京長(zhǎng)江第四大橋有限責(zé)任公司，江蘇 南京 210000）

新型融雪劑研究及工程應(yīng)用

王文峰1，吳冬生1，吳春穎1，宗 海2，朱浩然1

（1.蘇交科集團(tuán)股份有限公司，江蘇 南京 211112；2.南京長(zhǎng)江第四大橋有限責(zé)任公司，江蘇 南京 210000）

以碳鋼腐蝕率為控制指標(biāo)，對(duì)比了以NaCl為融雪劑主劑，葡萄糖酸鈉（C6H11NaO7）、ZnSO4、Na2SiO3和NaH2PO4分別與硫脲復(fù)配作緩蝕劑的4種融雪劑，制備了YN-1融雪劑。通過(guò)室內(nèi)融雪化冰試驗(yàn)、碳鋼腐蝕率試驗(yàn)、溶解速度試驗(yàn)，并在匝道和鋼橋面進(jìn)行工程撒布應(yīng)用，結(jié)果表明YN-1新型融雪劑具有金屬腐蝕率低，融雪除冰性能好，長(zhǎng)效性優(yōu)越等特點(diǎn)。

道路工程；融雪劑；腐蝕率；長(zhǎng)效性

1 概述

盡管非氯鹽型融雪劑在迅速發(fā)展中，但由于成本等經(jīng)濟(jì)因素的制約，無(wú)論是在發(fā)達(dá)國(guó)家還是發(fā)展中國(guó)家，非氯鹽型融雪劑在短時(shí)期內(nèi)都不可能大量使用。針對(duì)融雪劑帶來(lái)的問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外調(diào)研發(fā)現(xiàn)，養(yǎng)護(hù)部門(mén)在使用融雪劑過(guò)程中，對(duì)氯鹽融雪劑的使用仍然面臨著兩難的選擇［1-4］。一方面氯鹽融雪劑在使用后對(duì)環(huán)境有侵蝕影響，一方面又缺乏行之有效且經(jīng)濟(jì)可行的融雪辦法。無(wú)論是在市政領(lǐng)域還是高速公路的養(yǎng)護(hù)，從實(shí)用角度考慮，以氯鹽為主要成分的融雪劑仍然是冬季養(yǎng)護(hù)部門(mén)不可或缺的產(chǎn)品［5-8］。因此，本文從氯鹽融雪劑自身化學(xué)性質(zhì)入手，開(kāi)發(fā)出對(duì)環(huán)境影響小、腐蝕率低的新型融雪劑，同時(shí)針對(duì)使用方法和策略方面開(kāi)展研究。

本文開(kāi)發(fā)的融雪劑以傳統(tǒng)氯鹽為突破口，考慮到人們?cè)絹?lái)越重視的環(huán)保問(wèn)題，在進(jìn)行多元復(fù)配后極大降低了金屬腐蝕性，同時(shí)還添加了含有N、S、P等大量作物營(yíng)養(yǎng)元素的緩蝕添加劑。故其對(duì)基礎(chǔ)設(shè)施、作物及環(huán)境損害較小。這一融雪劑的研制成功，將在一定程度上滿足融雪劑市場(chǎng)的需求，豐富融雪劑品種。

2 新型融雪劑的開(kāi)發(fā)

傳統(tǒng)氯鹽融雪劑往往在破壞鈍化膜、形成腐蝕電池、去極化作用和導(dǎo)電作用幾方面對(duì)結(jié)構(gòu)物中金屬造成腐蝕破壞［5］。為了降低融雪劑的金屬腐蝕性，本文選擇添加以下幾種緩蝕劑，見(jiàn)表1。

碳鋼腐蝕率是融雪劑一項(xiàng)重要指標(biāo)，試驗(yàn)方法參照《水處理劑緩蝕性能的測(cè)定方法（GB/T 18175—2000）》。本文選擇NaCl為融雪劑主劑，緩蝕劑用葡萄糖酸鈉（C6H11NaO7）、ZnSO4、Na2SiO3和NaH2PO4分別與CH4N2S進(jìn)行復(fù)配，摻量為1%。試驗(yàn)結(jié)果如圖1（a）所示。?

表1　 緩蝕劑分類

由圖1（a）可看出，添加復(fù)配的緩蝕劑后，碳鋼腐蝕率明顯降低，其中摻NaH2PO4的碳鋼腐蝕率最低，試驗(yàn)檢測(cè)結(jié)果約為0 mm/a，摻ZnSO4的碳鋼腐蝕率為0.013 mm/a，效果良好。摻C6H11NaO7和Na2SiO3時(shí)，效果次之，考慮到這兩類陽(yáng)極緩蝕劑在用量不足時(shí)會(huì)加速金屬腐蝕，故不選用。而NaH2PO4的價(jià)格較貴，從節(jié)約成本角度考慮，本文選擇采用ZnSO4與CH4N2S復(fù)配作為緩蝕劑，并以摻量為0.25%、0.5%、0.75%、1%再次進(jìn)行試驗(yàn)，研究緩蝕劑用量對(duì)碳鋼腐蝕率的影響，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖1（b）。

由圖1（b）可知，隨緩蝕劑摻量的增加，碳鋼腐蝕率逐漸降低。0.5%時(shí)腐蝕率僅為0.04 mm/a，滿足企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)（0.1 mm/a），再增加緩蝕劑用量，碳鋼腐蝕率的降低速率減小，從最佳經(jīng)濟(jì)效益考慮，選擇緩蝕劑為0.5%，自制YN-1融雪劑。

圖1　 碳鋼腐蝕情況

3 新型融雪劑的性能評(píng)價(jià)

3.1 融雪化冰能力

為充分表征YN-1融雪劑實(shí)際使用性能，重點(diǎn)考察融雪劑的融雪化冰能力、碳鋼腐蝕率這兩個(gè)指標(biāo)。同時(shí)對(duì)融雪劑的PH值、溶解速率進(jìn)行評(píng)價(jià)，以便全面認(rèn)識(shí)融雪劑的物理化學(xué)性質(zhì)，為融雪劑的正確使用、撒布工藝進(jìn)行深入研究奠定基礎(chǔ)。

選取常用的CaCl2、MgCl2、以及SD融雪劑與YN-1融雪劑進(jìn)行對(duì)比研究：分別配制成200 g/ L溶液，置于-10 ℃的恒溫容器中12 h，將4個(gè)恒溫-10 ℃的冰塊浸泡到溶液中，考察融化冰的量?！兜缆烦谘﹦罚℅B/T23851—2009）試驗(yàn)方法是在-10 ℃下，融雪劑溶液浸泡100 g冰0.5 h后取出稱量冰的損失。為得到準(zhǔn)確的化冰的質(zhì)量，方法修正如下：低溫下融雪劑浸泡冰的時(shí)間，每1 h取出稱重，研究融雪劑的融冰效率，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖2，其中MgCl2溶液在0.5 h已結(jié)冰，失去融冰能力。

圖2　 各融雪劑的融冰能力

由圖2看出，隨時(shí)間的延長(zhǎng)，3種融冰劑的融冰能力卻呈現(xiàn)增長(zhǎng)的趨勢(shì)，但曲線的斜率，即增長(zhǎng)速率在變小。CaCl2和SD融雪劑3 h后，曲線變得平緩，融冰能力幾乎不再增長(zhǎng)；而自制的YN-1型融雪劑仍有高效的融冰效率，且有提高趨勢(shì)。從理論解釋，在微觀上，可以認(rèn)為是一部分溶質(zhì)分子占據(jù)了溶劑的位置從而使蒸汽壓降低，在冷凝過(guò)程中混合物分子之間互相干擾結(jié)晶過(guò)程，所以需要更低的溫度達(dá)到凝固狀態(tài)。即若能保持融雪劑濃度不變，冰塊的融化速度則會(huì)逐漸變快，而事實(shí)上，冰塊不斷被溶解，溶液逐漸稀釋，降低了融冰能力。這兩個(gè)對(duì)立的作用相互影響，總的效果隨時(shí)間從提高融冰能力會(huì)轉(zhuǎn)變?yōu)榻档腿诒芰Α?/p>

3.2 碳鋼腐蝕率

將純水、NaCl、CaCl2、MgCl2、SD融雪劑和YN-1融雪劑，同時(shí)進(jìn)行碳鋼腐蝕測(cè)試，并進(jìn)行橫向平行比較，試驗(yàn)方法參照GB/T 18175—2000標(biāo)準(zhǔn)。測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表2。

表2　 浸泡不同溶液的碳鋼腐蝕率

通過(guò)腐蝕率橫向比較發(fā)現(xiàn)，YN-1融雪劑碳鋼腐蝕率相對(duì)較低，而純氯鹽化合物腐蝕率較高，具有較強(qiáng)腐蝕性，這也說(shuō)明直接使用氯鹽作為融雪劑的危害。

3.3 溶解速度

為延長(zhǎng)阻止路面結(jié)冰的起效時(shí)間，融雪劑在撒布之后應(yīng)盡可能地長(zhǎng)時(shí)間停留在道路表面。融雪劑作用時(shí)間與很多因素有關(guān)，例如被風(fēng)吹走、汽車行駛帶離路面，融雪劑溶解后流走等。其中溶解速度主要和融雪劑的物理化學(xué)性質(zhì)關(guān)系密切。溶解速度試驗(yàn)參考遼寧省地方標(biāo)準(zhǔn)《遼寧省融雪劑質(zhì)量與使用技術(shù)規(guī)程》。在常溫20～25 ℃條件下，稱取固體融雪劑樣品40 g，放入燒杯，將攪拌葉置于燒杯中間，加水至200 mL，即刻啟動(dòng)精密電動(dòng)攪拌器，將轉(zhuǎn)速調(diào)至100 r/min進(jìn)行攪拌并開(kāi)始計(jì)時(shí)。觀察溶解狀況，至其完全溶解，記錄完全溶解時(shí)間（精確至秒）。結(jié)果見(jiàn)表3。

表3　 融雪劑溶解速度

結(jié)果表明：CaCl2、MgCl2具有良好的溶解性能，溶解速度快，CaCl2溶解后放熱。采用CaCl2、MgCl2作為融雪劑撒布后，起效快，融雪速度快，但起效時(shí)間短，形成水溶液后易于流走，當(dāng)持續(xù)降雪時(shí)，融雪抗冰作用時(shí)間短。

SD融雪劑和YN-1融雪劑都是以NaCl為主要成分的融雪劑，YN-1融雪劑顆粒硬度高、密度大，撒布后由于重力作用易沉于積雪的底部，從積雪底部發(fā)揮融雪、防冰作用，其防冰作用更明顯，且由于硬度高、溶解慢，防冰作用更為持久；而SD融雪劑為密度較小的粉末和片狀物，撒布后嵌浮于積雪表面，從積雪上部開(kāi)始發(fā)揮作用，由于其粉末狀結(jié)構(gòu)更容易溶解，因此其融雪作用相對(duì)更明顯，但容易漂浮在雪水融化后的雪水表面，并被雪水帶走，長(zhǎng)效性差。由兩者溶解速度對(duì)比來(lái)看，SD融雪劑溶解速度稍快，原因在于兩者的硬度有所差別，SD融雪劑樣品硬度為34.6 N，YN-1融雪劑樣品硬度為51.2 N。由于在軋制工藝上增加的產(chǎn)品物料的顆粒密度，YN-1樣品硬度明顯大于SD融雪劑，因此更難溶解。該融雪劑撒布后，持續(xù)發(fā)揮抑制結(jié)冰的作用，起效時(shí)間長(zhǎng)，特別是在持續(xù)降雪的情況下，能減少撒布次數(shù)。

3.4 融雪劑技術(shù)指標(biāo)

參照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)對(duì)SD融雪劑和YN-1自制融雪劑進(jìn)行了檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表4。

綜上，自制新型YN-1融雪劑滿足國(guó)家制定的融雪劑標(biāo)準(zhǔn)，外觀白色，純度較高，溶解后雜質(zhì)少。具有較好的融雪化冰能力，同時(shí)具有較好的金屬抗腐蝕性，可應(yīng)用于鋼橋面路面融雪劑的撒布，對(duì)橋面鋼結(jié)構(gòu)材料腐蝕性?。?-10］。

表4　 融雪劑檢測(cè)指標(biāo)

4 YN-1融雪劑的工程應(yīng)用

4.1 南京冬季降雪情況分析

據(jù)江蘇氣象部門(mén)統(tǒng)計(jì)，南京2014年共計(jì)4場(chǎng)雪，降雪情況見(jiàn)表5。

表5　 南京2014年冬季降雪情況

分析南京冬季雨雪情況可以發(fā)現(xiàn)，南京地區(qū)冰雪天氣主要以雨夾雪和小雪為主，主要發(fā)生在2月中上旬。零度以下氣溫主要發(fā)生在夜間，因氣溫降低，路面溫度在零度以下情況，也主要發(fā)生在夜間。根據(jù)表5中雨雪情況也可以發(fā)現(xiàn)，白天氣溫高，有降雪也很難在路面上形成積雪和結(jié)冰。即使在18、19日當(dāng)天大到暴雪的天氣，并且持續(xù)降雪的情況下，在路面行車道上也基本無(wú)法形成積雪和壓實(shí)雪，路面大都以雪水的形式存在。南京路面因降雪而形成積雪、結(jié)冰的情況主要發(fā)生在夜間，因此，在夜間來(lái)臨、溫度降低之前是防冰、除雪的重要關(guān)鍵時(shí)段。本項(xiàng)目試驗(yàn)工作主要結(jié)合18、19日持續(xù)降雪天氣下的路面除雪、防冰工作共同完成。

4.2 匝道撒布試驗(yàn)

在小雪或雨夾雪天氣下，夜間的防冰策略通常選擇在路面上預(yù)先撒布融雪劑，以防止路面的雨水或雪水因溫度驟降而形成結(jié)冰。其中，匝道因行駛交通量較少，匝道路面是易結(jié)冰的重點(diǎn)路段。因此，在對(duì)各個(gè)路段進(jìn)行大面積預(yù)撒布融雪劑時(shí)，通常根據(jù)需要對(duì)匝道提前進(jìn)行撒布。本次試驗(yàn)選擇在繞越高速南京段與滬寧互通相連的麒麟樞紐相關(guān)匝道進(jìn)行，采用小型雙排座小車裝滿融雪劑，進(jìn)行人工撒布試驗(yàn)。由于是人工撒布，撒布量和撒布均勻性由車輛的行駛速度和工人的撒布方式?jīng)Q定，使用雙排座小車進(jìn)行人工撒布注意事項(xiàng)如下：(1)盡可能保持勻速行駛，工人用鐵鍬撒布時(shí)盡量將融雪劑散開(kāi)；(2)根據(jù)撒布量的要求調(diào)整車輛行駛速度；(3)匝道上撒布應(yīng)保證各個(gè)車道能夠覆蓋。

第二天觀察YN-1融雪劑撒布后的路面情況。由于鋼箱梁橋面溫度更低，相對(duì)于普通混凝土橋面路面道路兩側(cè)更容易形成積雪。如果夜間降溫，濕滑鋼箱梁路面也更容易結(jié)冰。但經(jīng)過(guò)預(yù)撒融雪劑后，匝道路面基本沒(méi)有結(jié)冰、積雪的現(xiàn)象。應(yīng)當(dāng)注意的是，融雪劑的預(yù)撒量和預(yù)撒次數(shù)要根據(jù)氣候變化和路面狀況有所不同。如果存在夜間溫度不斷降低、持續(xù)降雪情況，或者降雨量很大導(dǎo)致融雪劑無(wú)法保存于路面，要視情況進(jìn)行第二遍，甚至第三遍融雪劑的撒布。4.3 鋼橋面撒布試驗(yàn)

一般而言，橋面因其架空結(jié)構(gòu)，缺少了地面溫度的供給和熱量?jī)?chǔ)備，橋面溫度會(huì)更低于路面溫度，甚至是空氣溫度。特別是長(zhǎng)江橋橋面，所處位置高度懸空，風(fēng)力更大，受長(zhǎng)江影響，且為鋼結(jié)構(gòu)橋面，更是冬季防冰重點(diǎn)路段中的關(guān)鍵。18、19日，白天、夜間都在持續(xù)降雪，為預(yù)防大橋橋面結(jié)冰，采取了多種預(yù)防措施。包括預(yù)撒傳統(tǒng)融雪劑（尿素），出動(dòng)除雪車、滾雪刷掃除降雪，臨近夜晚又兩次預(yù)撒融雪劑（尿素）。但是從19日凌晨2點(diǎn)開(kāi)始，溫度不斷降低，在大橋橋面上開(kāi)始出現(xiàn)結(jié)冰現(xiàn)象，形成細(xì)小的碎冰，橋面溫度達(dá)到-7 ℃。

經(jīng)過(guò)預(yù)先撒布了傳統(tǒng)融雪劑后，橋面行車道由于車輛行駛，結(jié)冰主要是碎冰，而橋面兩側(cè)包括應(yīng)急車道則形成堅(jiān)硬積冰。為了查明該碎冰對(duì)行車的影響，測(cè)試了行車道的摩擦系數(shù)，擺值數(shù)據(jù)見(jiàn)表6。

表6　 橋面擺值測(cè)試結(jié)果

擺值結(jié)果表明，路面結(jié)冰顯著降低了路面抗滑性能。鑒于尿素防冰作用比較差，為了防止橋面進(jìn)一步結(jié)冰并降低抗滑系數(shù)，采用大型滾雪刷對(duì)路面的薄冰清除兩遍，但仍然有結(jié)冰現(xiàn)象。因此，采用YN-1融雪劑再對(duì)鋼橋面進(jìn)行了小范圍的撒布試驗(yàn)。YN-1新型融雪劑撒布后，路面薄冰即開(kāi)始融化，直至第二天上午，橋面無(wú)結(jié)冰現(xiàn)象。

5 結(jié)論

（1）本文選用NaCl作為主要原料， ZnSO4與CH4N2S復(fù)配的緩蝕劑，摻量為0.5%，開(kāi)發(fā)出了一種對(duì)金屬低腐蝕的YN-1融雪劑，碳鋼腐蝕率僅為0.042 3 mm/a。

（2）YN-1融雪劑在生產(chǎn)工藝上進(jìn)行了深度加工，提高了融雪劑的硬度，硬度為51.2 N，溶解速度為6.7 g/min，增加了融雪劑的有效時(shí)間，在4 h后仍具有較高的融冰能力。

（3）經(jīng)工程撒布試驗(yàn)，YN-1融雪劑在撒布后，具有滲透的效果，在融雪過(guò)程中不斷滲透到雪層底部，從底部開(kāi)始發(fā)揮降低冰點(diǎn)的作用，從而起到真正的防冰作用；融雪劑具有優(yōu)越的長(zhǎng)效性，由于其自身具有較強(qiáng)的硬度，同時(shí)增加緩釋成分，其融雪化冰過(guò)程是一個(gè)不斷緩慢釋放的過(guò)程，在撒布后，能夠在防冰的同時(shí)，大大提高路面防冰的有效時(shí)間。

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Research and Application of New Snowmelt Agent

Wang Wenfeng1, Wu Dongsheng1, Wu Chunying1, Zong Hai2, Zhu Haoran1
（1. JSTI Group, Nanjing 211112, China; 2. Nanjing Yangtze River Fourth Bridge Co., Ltd, Nanjing 210000, China）

A new snowmelt agent (YN-1) was prepared by the contrast of 4 different snowmelt agents, which were mainly composed of NaCl and used C6H11NaO7, ZnSO4， Na2SiO3and NaH2PO4compounded with thiourea respectively as corrosion inhibitor. Indoor snowmelt deicing experiment, carbon steel corrosion rate experiment, dissolution rate and application on the ramp and steel bridge were carried out. The results showed that YN-1 snowmelt agent had the characters of low corrosiveness to metals, good performance of melting ice and long effectiveness.

road engineering; snowmelt agent; corrosion rate; long effectiveness

U414

A

1672-9889（2016）04-0020-04

王文峰（1981-），男，黑龍江佳木斯人，工程師，主要從事新型道路材料研究工作。

2015-09-10）