道路融雪劑融冰能力試驗方法的改進研究

王騰，郭德棟，周小鵬，李晉，孫大志

(1.山東交通學院 山東省道路交通應急與保障技術工程實驗室, 山東 濟南 250357；2.山東交通學院 交通土建工程學院)

為保證冬季道路的安全和暢通，全世界范圍內(nèi)采用最多的融雪除冰方式是撒布融雪劑，據(jù)不完全統(tǒng)計，全球每年大約使用3 000萬t融雪劑，而融雪劑用量還呈現(xiàn)逐漸增加的趨勢。融雪劑的大量使用在提高了融雪除冰效率的同時，也給工程構造物與周邊環(huán)境造成嚴重破壞，該問題越來越多地引起世界各國的重視。因此，迫切需要在保證融雪除冰效果的同時，降低使用量，即提高融雪劑的融雪化冰能力；另一方面，現(xiàn)階段中國國內(nèi)使用的融雪劑種類較多，差異較大，準確地測定或評價道路除冰融雪劑的融雪化冰能力既可以在眾多產(chǎn)品中優(yōu)選出融雪效果突出的融雪劑，又可以根據(jù)實際降雪量確定合理的融雪劑用量，避免過多撒布融雪劑對工程構造物與周邊環(huán)境造成的不利影響。

國內(nèi)外針對測定道路融雪劑融雪化冰能力的試驗方法很多，國外主要是參照固體及液體融雪劑的融冰試驗(SHRP H-205.1、SHRP H-205.2)，中國國內(nèi)的試驗方法主要包括GB/T 23851-2017《融雪劑》的融雪化冰能力試驗、DB13/T 1411-2017《公路融雪劑》中的融冰能力試驗，以上試驗方法測試原理和實際測試結果各不相同，給融雪劑融冰能力的準確測定及工程實際應用帶來困難。該文主要通過室內(nèi)試驗和理論分析等手段，分析上述試驗方法存在的不足，在此基礎上，提出改進的道路融雪劑融冰能力試驗方法，對試驗誤差進行分析，通過該試驗分析和研究影響融雪劑融冰能力的各個因素與影響規(guī)律。

1 現(xiàn)有試驗方法

1.1 國外現(xiàn)有試驗方法

國外主要參照固體及液體融雪劑的融冰試驗(SHRP H-205.1、SHRP H-205.2)，首先利用蒸餾水在標準規(guī)格尺寸的容器中凍制冰塊，再將一定數(shù)量的固體顆?；蛞后w融雪劑均勻灑布在冰塊表面，這與降雪結冰再撒(灑)布融雪劑的實際融冰過程相似，每間隔一定時間測定融化產(chǎn)生的鹽水混合物的體積，上述操作都在規(guī)定的環(huán)境溫度下進行。

通過大量室內(nèi)試驗，分析上述試驗方法主要存在以下不足之處：

(1) 該試驗過程雖然與工程實踐中的降雪結冰后再撒(灑)布融雪劑的融冰過程相似，但利用注射器抽取的鹽水混合物中含有融化的冰和溶解的固體融雪劑，僅測定混合物的體積無法反映冰融化的多少，也就無法準確比較和判定固體融雪劑的融冰能力。

(2) 混入了不同種類和濃度融雪劑溶液的密度存在較大差異，同時密度也受溫度的影響，通常都大于水的密度，因此混合物體積的測定存在較大的誤差。

(3) 固體融雪劑的融冰過程主要是在溶解后進行，試驗中將鹽水混合物抽出，會直接影響下一時間段的融冰質量。

1.2 中國國內(nèi)現(xiàn)有試驗方法

中國現(xiàn)行融雪劑融雪化冰能力的測試方法見GB/T 23851-2017《融雪劑》。具體試驗步驟為：① 配置標準濃度的氯化鈉溶液與待測定的融雪劑溶液；② 在150 mL容積的相同直徑和高度的兩個瓷坩堝中分別加入100 mL水，置于(-10±1) ℃的恒溫箱中至結冰，并稱重；③ 將(-10±1) ℃的氯化鈉溶液和融雪劑溶液分別倒入瓷坩堝中，在恒溫箱中放置0.5 h；④ 傾倒出瓷坩堝中的液體，稱量瓷坩堝和剩余冰塊的質量；⑤ 整理計算得到融雪劑相較于標準濃度氯化鈉溶液的融雪化冰能力，數(shù)值以“%”表示。

通過大量室內(nèi)試驗，分析上述試驗方法存在以下不足：① 在瓷坩堝中凍制的冰形狀不統(tǒng)一、不規(guī)則，倒入25 mL融雪劑后，與冰塊不能完全接觸，而且不同冰塊形狀下，接觸面積也不同，會直接影響該試驗的精度，在實際操作中，相同融雪劑平行試驗結果差值較大;② 倒出瓷坩堝中的液體以及稱重的操作，一般只能拿出恒溫箱，在室溫環(huán)境下進行，而且傾倒液體的時間沒有具體規(guī)定，在實際操作中，傾倒時間不同，對試驗結果影響較大。

為分析傾倒溫度和傾倒時間對融雪化冰能力的影響，按照國標中的試驗方法對融雪劑A的融雪化冰能力進行了測試。在試驗過程中分別選擇3、5、7、9、11 s的傾倒時間，傾倒溫度分別為-10、0、10、20、30 ℃。標準濃度的氯化鈉溶液傾倒溫度為20 ℃，傾倒時間為5 s時，融雪化冰質量為1.87 g，作為計算融雪化冰能力的依據(jù)。不同傾倒時間和傾倒溫度條件下，融雪劑A的融冰質量和融雪化冰能力試驗結果見表1、2。

表1 不同傾倒時間時的融雪化冰能力

表2 不同傾倒溫度時的融雪化冰能力

由表1、2可知：在不同傾倒時間時，即使同一種融雪劑，無論融冰質量還是融雪化冰能力都有較大差異，隨著傾倒時間的增加融冰質量和融雪化冰能力都隨之增大；傾倒時的環(huán)境溫度越高，則融冰質量和融冰能力就越大。因此，由于國標中融雪化冰能力試驗中未限定傾倒時間與傾倒溫度，在實際操作過程中可能引起較大的試驗誤差，影響試驗結果的可信度。

2 試驗方法的改進

綜合分析國內(nèi)外融冰能力試驗方法可知：要精確地測定不同種類融雪劑的融冰能力，需要解決以下問題：① 環(huán)境溫度對測試結果影響較大，整個試驗過程需要在環(huán)境箱中進行；② 冰塊應該統(tǒng)一規(guī)格，且完全與融雪劑接觸，避免接觸面積不同帶來的影響；③ 要通過優(yōu)化試驗操作保證融冰質量的測試精度。

為解決上述問題，該文在大量室內(nèi)試驗的基礎上，提出了對現(xiàn)有融冰能力試驗的改進方案：

(1) 采用規(guī)格和尺寸統(tǒng)一的制冰模具，在低溫環(huán)境箱中凍制冰塊，避免冰塊尺寸不一或出現(xiàn)裂縫對試驗精度造成影響。

(2) 由于冰塊的密度小于融雪劑溶液，為保證冰塊與融雪劑溶液的充分接觸，將冰塊放入融冰網(wǎng)籃中，使之沉入融雪劑溶液中，充分浸沒。

(3) 通過稱量融冰前后冰塊質量的變化，計算得出規(guī)定時間內(nèi)的融冰量，以融冰量作為判斷融雪劑融冰能力大小的指標。

(4) 上述操作都在環(huán)境箱中進行。

具體操作步驟如下：

(1) 利用規(guī)格為5 cm×5 cm×5 cm的冰格在(-10±1) ℃的低溫環(huán)境箱中凍制冰塊若干，備用。

(2) 按照國標的要求濃度配制融雪劑溶液2 000 mL，并置于(-10±1) ℃的低溫環(huán)境箱中，備用。

(3) 將制備的冰塊從模具中拿出，在低溫環(huán)境箱中迅速稱量冰塊的質量m0，精確至0.01 g。

(4) 將冰塊放入融冰網(wǎng)籃中，然后把融冰網(wǎng)籃放入盛有融雪劑溶液的燒杯中，使融冰網(wǎng)籃完全浸沒，持續(xù)30 min。

(5) 在環(huán)境箱中，將網(wǎng)籃中的冰塊倒在干毛巾上，迅速用毛巾輕輕擦去冰塊表面液體，直至表面看不到發(fā)亮的液體痕跡，然后快速稱取剩余冰塊的質量m1，上述操作須在30 s內(nèi)完成。

(6) 按照式(1)計算融雪劑的融冰能力K。

K=m0-m1

(1)

3 融雪劑融冰能力的影響因素分析

通過優(yōu)化改進后的融冰能力試驗方法，重點分析影響融雪劑融冰能力的主要因素以及影響規(guī)律，試驗選擇接觸面積、環(huán)境溫度以及融雪劑種類3種影響因素，設置不同的因素水平，其中，環(huán)境溫度分別為-5、-10、-15 ℃；融雪劑分別為某氯鹽類融雪劑A、某醋酸鹽類融雪劑B、某多元醇類融雪劑C；接觸面積通過凍制相同質量、不同數(shù)量的冰塊實現(xiàn)，其中，凍制尺寸為5 cm×5 cm×5 cm冰塊1塊，質量約為100 g，接觸面積為150 cm2，凍制尺寸為2.5 cm×2.5 cm×2.5 cm的冰塊8塊，質量約為100 g，接觸面積為300 cm2，凍制尺寸為1 cm×1 cm×1 cm的冰塊125塊，總質量約為100 g，總的接觸面積為750 cm2。具體試驗影響因素與水平設置見表3。

表3 試驗影響因素與水平設置

3.1 環(huán)境溫度對融冰能力的影響

相同接觸面積(750 cm2)，-5、-10及-15 ℃環(huán)境溫度條件下，3種不同融雪劑的融冰能力見圖1。

圖1表明：在相同的接觸面積下，環(huán)境(使用)溫度對融雪劑的融冰能力影響較大，隨著環(huán)境溫度的升高，3種融雪劑的融冰能力都隨之提高。

3.2 接觸面積對融冰能力的影響

相同環(huán)境溫度(-5 ℃)，不同接觸面積(150、300、

圖1 環(huán)境溫度對融雪劑融冰能力的影響

750 cm2)下，3種不同融雪劑的融冰能力如圖2所示。

圖2 接觸面積對融雪劑融冰能力的影響

圖2表明：在相同的環(huán)境溫度條件下，接觸面積對融雪劑的融冰能力有著重要影響，3種融雪劑的融冰能力都隨著接觸面積的增大而不斷變大。

試驗采用的3種不同種類的融雪劑，雖然種類不同，在配制過程中，選擇的冰點都為-20 ℃。從以上試驗結果可以看出：相同冰點的不同種類融雪劑，其融冰能力差異不大。

3.3 不同影響因素的方差分析

依據(jù)試驗數(shù)據(jù)，利用統(tǒng)計軟件SPSS分析環(huán)境溫度、接觸面積及融雪劑種類等因素對融雪劑融冰能力影響的重要程度，分析結果見表4。

表4 各因素對融雪劑融冰能力影響的方差分析(因變量:融冰能力)

注：*：R2=0.969(調整R2=0.956)。

由表4可知：融雪劑種類對應F值的顯著性概率(Sig.)為0.223，大于0.05，說明該因素對融冰能力的影響不顯著，而接觸面積以及環(huán)境溫度在一定范圍內(nèi)對融雪劑的融冰能力有著十分顯著的影響。

4 國內(nèi)外試驗方法與改進試驗方法的對比

分別按照前述國內(nèi)外及改進后的試驗方法對上述A、B、C共3種融雪劑進行融冰能力試驗，為進行對比分析，3種試驗方法的融冰、量測等操作步驟均在-10 ℃下的環(huán)境箱中進行。其中，SHRP融冰試驗方法中的融冰時間為30 min；國標中融冰試驗方法的傾倒時間設為5 s；而改進后的試驗方法中，冰塊的接觸面積為150 cm2。3種試驗方法的融冰試驗結果見表5。

由表5可知：由于3種試驗方法采用的冰塊規(guī)格、評定方法等均在較大差異，得出的試驗結果無法直接進行對比；盡管統(tǒng)一了環(huán)境溫度、傾倒時間等試驗條件，但SHRP和國標試驗方法的平行試驗誤差仍較大，改進后的試驗方法在測試精度和穩(wěn)定性方面具有一定優(yōu)勢。

表5 3種融冰試驗方法的結果對比

5 結論

通過對國內(nèi)外融雪劑融冰能力相關試驗方法的分析，提出了改進的試驗方法，并利用該試驗方法研究了影響融雪劑融冰能力的多個因素，得出以下結論：

(1) 國內(nèi)外對融雪劑融冰能力的測試方法并不統(tǒng)一，存在較大差異；國標中的試驗方法在實際操作中受到環(huán)境溫度、傾倒時間及接觸面積等因素的影響，導致試驗誤差較大，另外，試驗中冰塊的凍制方法、融冰能力指標等存在一定的不足，需要改進。

(2) 通過3種試驗方法對不同融雪劑的融冰能力進行了測試，結果表明：從冰塊規(guī)格、接觸面積及融冰能力指標3方面改進后的融冰能力試驗方法，提高了試驗的精度和穩(wěn)定性。

(3) 通過改進的試驗方法分析影響融雪劑融冰能力的因素，得出環(huán)境溫度和接觸面積對融冰能力有著顯著影響，融冰能力隨著環(huán)境溫度的升高、接觸面積的增大而提高；在工程實際中，液體融雪劑相比固體融雪劑在融冰雪過程中具有更大的接觸面積，融冰能力更為突出。