基于工程路用性能的融雪劑性能評價

趙佃寶,朱 輝，曲恒輝，張圣濤,2,李永振

(1.齊魯交通材料技術(shù)開發(fā)有限公司，山東 濟(jì)南 250014；2.山東交通學(xué)院,山東 濟(jì)南 250300；3.山東省交通科學(xué)研究院，山東 濟(jì)南 250100)

在我國北方地區(qū)，由于冬季低溫期漫長，強(qiáng)降雪造成的積雪和冰凍嚴(yán)重影響著道路通暢，尤其對于高速公路為了保證降雪期間道路運營暢通以及縮短封閉交通的時間，使用融雪劑已成為城市除雪融冰、減少交通事故及緩解雪天交通壓力的重要方式[1]。目前，公路工程中使用的融雪劑主要包括有機(jī)融雪劑和無機(jī)氯鹽類融雪劑兩種，其中氯鹽類融雪劑多為氯化鈉、氯化鈣和氯化鎂等氯鹽的混合物，價格便宜，應(yīng)用廣泛，但是其對金屬、混凝土等物質(zhì)腐蝕作用強(qiáng)烈[2]。氯鹽類融雪劑在融雪化冰方面具有很大優(yōu)勢，但氯離子易造成道橋腐蝕和環(huán)境污染，使得氯鹽類融雪劑在使用范圍上受到一定程度的限制[3]。在環(huán)保節(jié)能日益重要的今天，探求低腐蝕性、融雪能力強(qiáng)、成本低的環(huán)保型融雪劑是擺在我們面前的重大課題[4]。

本文主要針對市場上幾種典型的環(huán)保型融雪劑和氯鹽類融雪劑進(jìn)行性能對比分析評價，并結(jié)合相應(yīng)產(chǎn)品的實際工程應(yīng)用情況，對產(chǎn)品的綜合性能進(jìn)行評價并提出相關(guān)建議。

1 實驗方法

試驗選取了五種類型的融雪劑進(jìn)行性能對比分析，編號依次為1#、2#、3#、4#和5#。其中1#-4#為液體環(huán)保型融雪劑，成分為多元醇、有機(jī)酸鹽及外加劑類；5#為固體氯鹽類融雪劑，成分為氯化鈣、氯化鈉和氯化鎂的混合物。五種類型的融雪劑均符合我國國家標(biāo)準(zhǔn)《道路除冰融雪劑》(GB/T 23851-2009)中各項試驗檢測指標(biāo)的要求。結(jié)合工程應(yīng)用實際，重點對上述五種類型融雪劑不同濃度條件下的冰點、最大融雪化冰能力、二次結(jié)冰的情況、植物種子相對受害率等指標(biāo)進(jìn)行了深入研究分析。

2 實驗結(jié)果與分析

2.1 冰點

融雪劑的冰點是反應(yīng)材料性能的關(guān)鍵基礎(chǔ)指標(biāo)，試驗結(jié)合現(xiàn)場實際降雪量與降雪深度的關(guān)系，利用SYD-2430型冰點測定儀依照規(guī)程GB/T 2430的要求對不同濃度條件下的冰點進(jìn)行試驗檢測，以期對其低溫性能做出合理評價。

表1 降雪量與積雪深度關(guān)系表

圖1 不同類型融雪劑的冰點

由圖1可知，五種類型融雪劑的冰點體現(xiàn)出較大的差異。當(dāng)五種類型融雪劑經(jīng)過與水進(jìn)行不同程度的稀釋后，低溫性能下降較快，當(dāng)與水摻配比例為1∶3時，除了4#冰點為-6.8以外，其余四種類型融雪劑的冰點均在-6℃以上。結(jié)合工程實際中1cm厚度的積雪完全融化成水的量約為800g/m2,當(dāng)?shù)缆凡环忾]交通時，由于路表放熱、輪胎與路面摩擦產(chǎn)生的熱量等外界因素導(dǎo)致的路表積雪融化會對灑布的融雪劑造成很大程度的稀釋，融雪劑的冰點也會隨之升高。鑒于工程實際中固體氯鹽類融雪劑25～30g/m2及液體融雪劑40～50 g/m2的灑布量，同時固體氯鹽類融雪劑若發(fā)揮融雪化冰效果，存在固相向液相轉(zhuǎn)變的過程，并且當(dāng)濃度為23%時冰點最低的情況，對于固體氯鹽類融雪劑和液體融雪劑相當(dāng)于分別進(jìn)行了約1∶8和1∶16的稀釋。因此，這種情況下需重點考慮冬季晚間路面二次結(jié)冰的潛在危害。

2.2 融雪化冰能力

考慮山東地區(qū)冬季-10℃的不利天氣情況，對五種類型融雪劑在-10℃的條件下進(jìn)行融雪化冰能力的對比分析，以評價其工程應(yīng)用性能。

表2 不同類型融雪劑5h融冰能力(-10℃)

圖2 兩種融雪劑用量與融冰量之間關(guān)系曲線

由表2可知，五種類型融雪劑在-10℃條件下與冰塊作用5h后的融冰性能排序依次為5#>1#>4#>2#>3#，融冰能力以單位質(zhì)量的融雪劑所能融化的冰量計，5#固體融雪劑5h的融冰性能優(yōu)于其他四種環(huán)保型融雪劑。對于不同劑量的4#液體環(huán)保型融雪劑和5#固體融雪劑在-10℃條件下與99g冰塊經(jīng)過作用16h后的融冰性能進(jìn)行了對比分析，相同質(zhì)量的兩種類型融雪劑在同樣的外界環(huán)境條件下，固體融雪劑的融冰量(最大融雪化冰能力)為液體融雪劑的4倍之多，表現(xiàn)出了優(yōu)異的融雪化冰性能。因此，液體融雪劑應(yīng)在環(huán)保的同時，經(jīng)過配方優(yōu)化改善其融冰能力以達(dá)到高速公路在冬季的交通運營需求。相關(guān)研究表明，氯鹽類融雪劑對水泥混凝土路面腐蝕較為嚴(yán)重，而對瀝青混凝土路面的腐蝕相對較小，并且市場上固體融雪劑灑布機(jī)械設(shè)備的自動化程度較液體融雪劑高，若兼顧產(chǎn)品環(huán)保和融雪性能，建議對于高速公路不同結(jié)構(gòu)物，選擇特定類型的融雪劑或結(jié)合使用不同類型的融雪劑。

2.3 融雪劑環(huán)保性能

2.3.1 植物種子相對受害率

土壤中可溶性鹽類過多對植物的不利影響是多種多樣的，但主要危害包括生理干旱、特殊離子的毒害和破壞正常代謝[5]。本文采用相對受害率這一指標(biāo)來研究鹽對種子發(fā)芽率的影響，選取了20粒經(jīng)過氧化氫溶液浸泡處理的草地早熟禾種子平鋪在墊有定性濾紙和脫脂棉的發(fā)芽盒內(nèi)，依照融雪劑在工程實際中的使用濃度濕潤，置于25℃的室溫中培養(yǎng)、觀察記錄。

圖3 五種類型融雪劑的植物種子相對受害率

由圖3可知，五種類型的融雪劑均會對植物種子的發(fā)芽情況產(chǎn)生不同程度的抑制作用，其植物種子相對受害率排序依次為5#>1#>3#>4#>2#。相對于固體氯鹽類融雪劑，液體環(huán)保型融雪劑對于植物種子的影響相對較小，但是其濃度的大小對于種子發(fā)芽所需時間及生長情況產(chǎn)生直接影響。因此，應(yīng)注意融雪劑的使用方式，否則高濃度的化學(xué)類產(chǎn)品浸入生態(tài)體系，會嚴(yán)重破壞植物生長所需的平衡環(huán)境，導(dǎo)致植物枯萎死亡[6]。

2.3.2 碳鋼腐蝕率

本文利用經(jīng)打磨后的鐵釘置于四種類型的融雪劑溶液和水中，經(jīng)一定時間觀察鐵釘?shù)匿P蝕情況，定性分析判別各融雪劑對金屬的腐蝕情況。

圖4 鐵釘經(jīng)在融雪劑和水浸泡7d銹蝕情況

如圖4所示，鐵釘經(jīng)在空白對比試驗水中和氯鹽溶液中已表現(xiàn)出較大程度上的腐蝕，在實體工程應(yīng)用中由于氯鹽的作用，更多的氯離子會聚集在鋼筋周圍，混凝土對鋼筋的握裹力逐漸喪失，導(dǎo)致混凝土開裂，路面逐步失去安全性和耐久性[7]。而在其他三種液體環(huán)保型融雪劑中腐蝕程度較小，尤其是1#基本上沒有任何腐蝕跡象，因此，液體環(huán)保型融雪劑相比固體氯鹽類融雪劑對于金屬腐蝕程度較小。

2.4 路面摩擦衰減率

為保證道路行車安全，利用擺式摩擦系數(shù)測定儀對1#、3#、4#和5#融雪劑灑布后的瀝青混凝土試塊(SMA-13)的摩擦系數(shù)進(jìn)行了測試(表3)，以對各類型融雪劑對路面抗滑性能的影響作出評價。

表3 不同類型融雪劑灑布后的路面摩擦系數(shù)

由表3可知，四種類型融雪劑的灑布均會造成路面摩擦系數(shù)不同程度的下降，對路面抗滑性能均會產(chǎn)生不利影響。路面摩擦系數(shù)衰減率由大到小依次為：1#>4#>3#>5#，其中，相比液體環(huán)保型融雪劑對于路面抗滑性能產(chǎn)生較大程度的影響，固體融雪劑對其影響較小，這與融雪劑的固有屬性有著密不可分的關(guān)系。

3 結(jié)論

(1)對于固體氯鹽類、多元醇及有機(jī)酸鹽類融雪劑經(jīng)過一定程度的稀釋后，其冰點及融冰能力會大幅衰減，鑒于相同質(zhì)量條件下的固體氯鹽類融雪劑的融冰能力為液體環(huán)保型融雪劑的4倍，因此，應(yīng)結(jié)合路用情況，在兼顧環(huán)保性能的同時，根據(jù)最不利因素條件下的融雪劑性能設(shè)定灑布方式和灑布量，以避免道路二次結(jié)冰對交通安全帶來安全隱患。

(2)結(jié)合固體氯鹽類融雪劑和液體環(huán)保型融雪劑的實際路用性能，建議在環(huán)境溫度較低(-10℃)、積雪厚度2cm以上時考慮機(jī)械除雪和融雪劑灑布相結(jié)合的方式進(jìn)行除雪防滑作業(yè)。

(3)結(jié)合工程實際，固體融雪劑灑布設(shè)備相較液體融雪劑自動化程度和工作效率高，可實現(xiàn)灑布過程精細(xì)化控制。因此應(yīng)在提升液體環(huán)保型融雪劑性價比的同時，加大專用灑布設(shè)備的研發(fā)力度，以滿足冬季高速公路除雪防滑工作的需求。