鹽類除冰劑：一種冬季道路安全解決方案

編譯 蔡立英

正值寒冬占據北半球之際，挪威科技大學科學家約翰·沃林（Johan Wahlin）和亞歷克斯·克萊因-佩斯特（Alex Klein-Paste）向我們闡釋了用鹽除冰從而保持冬季道路安全的原理。

冬季道路養(yǎng)護人員有三種策略可以創(chuàng)造安全的道路：防結冰（左）、防壓實（中）和除冰（右）

設想一下，周末，你在挪威的山上滑雪。狀況令人吃驚：整個星期都在下雪，當你在周六到達山上時，陽光普照，空氣中透著一股凜冽的寒意。但是，到周日下午，天氣暖和起來，現在，當你開車穿過黑壓壓的森林覆蓋的群山，天空下起雨來。白色積雪覆蓋的道路讓你開車上山時很容易，而現在道路結冰，變得滑溜而危險。

雖然你的車裝有鑲釘防滑輪胎，但是你仍需費勁控制好你的車。錯動一步，你就可能剎車失控，滑下山坡，撞到樹上或是撞上另一輛車。你的心提到了嗓子眼，你的手因為緊握方向盤而隱隱作痛，你睜大眼睛緊盯著前方。

然后，你得救了：你開到了主干道上?；绮ＡУ牧种械缆啡谌牒诤鹾?、光禿禿的柏油路，你很快就會發(fā)現為什么這條路既沒有積雪也不結冰——因為一輛冬季道路養(yǎng)護車正讓人放心地從對面駛來，在道路上撒鹽。但是，當我們撒鹽到結冰和積雪的路上時，究竟發(fā)生了什么呢？鹽是如何把這些危險的公路變成了車輛可以安全行駛的路面的？

鹽：冬季道路安全衛(wèi)士

鹽或者叫氯化鈉（NaCl）是用來增加結冰路面抓力的最尋常物質，在很多國家都是冬季道路養(yǎng)護作業(yè)的無價之寶。我們倆都生活在挪威，這里平均每年提供大約25萬噸鹽用于冬季道路養(yǎng)護，而美國每年的使用量大約是1 700萬噸，英國每年的使用量是200萬噸。那些冬季氣溫在0℃上下波動的國家和交通流量非常大的道路（每天超過1 500輛車），鹽作為除冰劑特別有效。

在挪威，政府的公路管理局并不親自做道路養(yǎng)護，而是按劃定區(qū)域分片雇傭承包商來做。公路管理局的工作人員密切關注天氣預報，這樣他們就能對非常天氣事件先發(fā)制人做出快速反應。這一策略就產生了三種不同的道路撒鹽方法：防結冰法（anti-icing）、防壓實法（anti-compaction）和除冰法（deicing）。

防結冰法是一種先發(fā)制人的做法，第一時間撒鹽阻止道路結冰。例如，當道路潮濕而且氣溫預計將會降到0℃以下或是當空氣中濕氣很重而道路寒冷導致結霜時，就可以運用防結冰的策略。

而防壓實法指的是在下雪前或下雪期間向道路撒鹽。在這種方案中，撒鹽的目的不是為了把雪全部融化，而是為了防止積雪壓實成堅硬的雪殼而難以掃除。承包商的目標是趕在降雪太多之前，把鹽撒到路上，因為加了鹽的雪黏著力較小，很容易被來往車輛和鏟雪車清除。

至于除冰法，則是用鹽除去已經在路上形成并且牢牢黏著在路面上的冰。承包商試圖避免使用除冰策略，因為用到除冰策略意味著他們的防結冰或防壓實行動已經失敗，危險的狀況已經形成。換言之，除冰策略是一種反應性的策略，意圖對一種危險的情形重拾掌控。

挪威，一輛冬季道路養(yǎng)護車正在撒鹽融化道路上的積雪

兩種冰晶：a含鹽，b不含鹽

除冰法的威力：制造混亂

道路上撒的鹽是如何發(fā)揮除冰作用的呢？簡單來說是鹽溶于水，增加了水的熵，因此降低了水的冰點。熵——通常比較松散的定義是指混亂程度，是度量物質雜亂無序狀態(tài)的一個物理量。溶解在水中的鹽給溶液提供了比純凈的水更多可能的幾何構型，因此，創(chuàng)造了一個更加無序的系統。既然宇宙萬物趨向于熵更高的狀態(tài)，一個更混亂的相（也就是液態(tài)）相比于其他的相（也就是水蒸氣和冰）變得更有吸引力。因此，鹽把溶液相對穩(wěn)定成水而不是冰的狀態(tài)，意味著需要更低的氣溫才能讓液態(tài)水結冰。而且，我們溶解到水里的鹽越多，鹽水溶液的冰點就變得越低。對于大多數除冰劑來說，鹽水的濃度和冰點之間的關系已經通過實驗確定下來了。

盡管這一點是鹽的除冰威力背后的關鍵作用機制，不過它并不能解釋一切。就拿防結冰策略來說，其目的是阻止水結冰。這應該很簡單。推測起來，你只需使用足夠量的鹽，讓道路上的水的冰點變得比從天氣預報預計的最冷道路溫度更低就行。然而，結果是，為了防止路面結冰，承包商所需的鹽量是他們用來融化冰的鹽量的40%。導致這種差別的原因是鹽同時還改變了水結冰的方式。

我們在學校都學過，當液態(tài)水的溫度降低到冰點（0℃）時，會變成固態(tài)。這句話的大部分內容（除去任何相變的內在復雜性）是正確的——你把一盤水放到冰箱里，過一會兒，盤子里沒有液體剩下，只有固態(tài)的冰。這個道理非常簡單。另一方面，鹽水在冰點時（0℃以下），并沒有完全變成固體，而是同時存在固體和液體，而且固體中不包含鹽。

這是因為冰不接受鹽的離子進入它的晶格——它對水分子可以放置在什么位置以及如何放置都有嚴格的幾何約束。冰的晶格形成了分層六邊形的結構，一個外來的離子要進入這個結構則必須嵌合在六邊形里面或者在兩層之間。但是，鹽的離子（鈉離子和氯離子）個頭太大，做不到這一點。結果，結冰的過程只不過是把水分子從鹽水溶液中拿走，留下鹽不受影響地繼續(xù)留在液態(tài)水中。因此，剩余溶液中的鹽濃度變得更高，冰點降得更低，直至結冰過程停止——你最終得到的是一些冰和含鹽液體。如果氣溫進一步下降，更多的冰會形成，但是一直都會有液體存在，直到氣溫下降到鹽水混合物的“共晶溫度”——溶液保持穩(wěn)定的最低的可能溫度。低于此溫度則鹽會結晶，剩下的水會結冰。對于氯化鈉來說，上述情況會在零下21℃時發(fā)生。

增添鹽的除冰威力的是，在鹽水溶液中形成的冰由樹枝狀的晶體組成，這種晶體在淡水結成的冰中是看不到的。這些“樹枝狀針”并沒有從純凈的不含鹽的水中結成的冰那么堅固，如果是在道路上形成的，會被來往車輛摧毀。只有當超過60%的溶液都變成冰時，它才會足夠堅硬以致成為道路交通的問題。

有鹽捏不成雪球

當我們把鹽撒到雪上，阻止雪壓實時，鹽是如何起作用的呢？核心原因仍是冰點降低，但這并不能解釋一切。正如前文所述，鹽之所以會融化雪，是因為鹽溶液的熵比冰更高——對于水分子來說，待在溶液里比成為固態(tài)的晶體更有吸引力。但是，要融化所有降雪，將需要數量巨大的鹽，比實際使用的量多得多。

雪還是鹽？很多國家在冬天動用數以噸計的白色晶體——鹽去除道路冰雪

取而代之的方法是，用鹽融化一點雪，所形成的鹽溶液改變了剩下的固體的力學特性。這種方法有點像你捏雪球時的情景。“濕的”雪——接近熔點（0℃）的雪，非?？斓仞ず显谝黄?，可以捏成一個很棒的很堅固的雪球，經得起你在空中拋出去。這是通過一個叫作“燒結”的過程實現的，構成雪的微小的冰晶就是通過這個過程黏結在一起。雪具有非常大的表面積——畢竟，一片平整的雪花有很多“手臂”伸出來，內部很小而表面很大。不過，從熱力學的觀點來看，這種結構不利于給物質更高的表面能量。但是，因為冰非常接近其熔點，它的分子非常易變。然后，這些分子會從能量不利的位置（雪花臂）移動到晶體之間的接觸點上更有利的位置。雪晶體因此黏結在一起，或叫“燒結”，為雪提供了力量。

但是，鹽水與淡水有很大的不同。如果雪被鹽水弄濕，你就捏不出一個完美的形狀恰當的雪球——晶體并不相互黏結在一起，雪的行為更像是非常小的珍珠的集合。人們并不完全知道其中的原因，不過科學家認為溶解于水的鹽可能附著在冰表面的水分子上，阻止它們和其他冰晶中的其他水分子形成聯結。把這個原理應用到冬季道路養(yǎng)護的防壓實策略中，結果是我們只需融化20%正在下或已下的雪，剩下的雪就能輕而易舉地清除。

基于上述結論，我們再來看看除冰策略——適用情形是道路上的積水已結冰。又一次，除冰法完全就是關于鹽融化冰的故事。但是，只有當融水對溶液的稀釋作用達到新的平衡，即稀釋的鹽溶液的冰點變得與道路溫度相同時，鹽融化冰才會發(fā)生。

在冬季道路養(yǎng)護行業(yè)，我們使用“融化能力”來描述1克除冰劑能融化幾克冰，溫度越低，除冰劑的融化能力越低。但是，請記住，承包商進行除冰作業(yè)時，道路已經非常滑溜。因此，非常重要的一點是除冰劑不僅要融化很多冰，而且要快速融化，也就是說，融化速度和融化能力一樣重要。尤其是在低溫下，還有比氯化鈉更有效的除冰劑，比如，氯化鎂或氯化鈣。的確，在世界上有些地方，比如美國，當天氣變得格外寒冷時，會使用這些化合物作為除冰劑。

雙刃劍：使用量有講究

鹽作為除冰劑也會有負面影響。盡管它在冬天幫助我們清除冰雪，保障道路安全可控，但它也會腐蝕暴露在空氣中的金屬，損害車輛以及路邊設施，比如指示牌和路障。路上撒的鹽還會傷害附近的蔬菜并且污染淡水源。

因此，一條至關重要的原則是不使用過量的鹽，并且系統研究讓露天撒鹽量最小化。的確，在挪威，撒鹽是一件精打細算的事情，根據道路的重要性、用途和當地天氣來決定鹽的使用量。在1.3萬公里長的道路上（大約是挪威整個公路網長度的1/7），撒鹽的目的是保持道路在整個冬季都完全沒有冰雪。這些是挪威最重要的道路，每天車流量在1 500～80 000輛車之間，因此會進行日常的撒鹽和鏟雪。在更小的道路上，只有當氣溫接近0℃而不是在更冷的時候，才會使用鹽——天氣溫和時，會保持車行道暢通；在天氣更冷的時候，會任由雪殼或冰殼形成。在挪威公路網的其他道路，養(yǎng)護目標是整個冬天都維持道路上有雪殼或冰殼，只有在冬季的開始和結束時使用鹽。這個策略需要鏟雪作業(yè)來保持路面平整，并且在雪殼或冰殼變得太滑溜時，撒上摩擦性顆粒，比如沙子。而在很多降雪多的國家，仍然使用粗放的撒鹽方式，即便是在天氣更溫和的情況下，所有道路在冬天都會撒鹽。

在特隆赫姆的挪威科技大學（NTNU），我們的研究團隊正在努力研究要保持冬季道路安全，只需多么少量的鹽即可。為了這個研究目的，我們需要理解鹽的不同用途背后的基礎物理學。例如，我們試圖計算出要獲得足夠的防壓實效果，我們需要添加到雪中的最小鹽量，我們還要研究鹽對“白霜”形成的影響（白霜是由濕氣沉積到道路表面形成）。不過，知道鹽如何發(fā)揮作用只不過是找到了拼圖的一塊。鹽這種礦物質只有撒在道路上而不是路邊溝里，才會有幫助。不幸的是，車流很容易就會把鹽吹到或濺到路邊，所以“冬季道路養(yǎng)護”領域的另一個研究課題是研究使鹽或其他除冰劑在道路上保留更久的方法，并且改進模型，更好地預測它們投入使用后的作用期限。

這項研究工作的全部目的是優(yōu)化撒鹽作業(yè)方式，這樣承包商就可以按所需使用鹽或其他除冰劑，同時又盡可能小地做出安全性方面的妥協。如果我們能達到撒鹽的佳境，就意味著能減少滑溜結冰的道路上那些不可靠的旅程，可以讓您的周末滑雪之旅結束得更輕松。