新型醋酸鈣鎂鹽環(huán)保融雪劑的制備與應(yīng)用技術(shù)研究

朱順順 ZHU Shun-shun；馮兆偉 FENG Zhao-wei；王邑帆 WANG Yi-fan；呂家標(biāo) LV Jia-biao

（華東交通大學(xué)土木建筑學(xué)院，南昌 330013）

0 引言

每年冬季，大范圍降雪給交通運(yùn)輸、城市運(yùn)行和居民生活帶來極大的不便。在此背景下，融雪劑的出現(xiàn)緩解了大部分地區(qū)由于降雪天氣引起的交通癱瘓，有效解決了局部地區(qū)強(qiáng)積雪問題。目前，氯鹽類無機(jī)物融雪劑以其快速融化積雪、成本低廉的優(yōu)點(diǎn)，成為我國應(yīng)用最廣泛的融雪劑。但其融化后產(chǎn)生的液體具有腐蝕性，對(duì)下水設(shè)施、農(nóng)田與軌旁設(shè)施等公共設(shè)施及生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生嚴(yán)重危害。為了有效地解決這一問題，環(huán)保型融雪劑應(yīng)運(yùn)而生。環(huán)保型融雪劑不僅可以滿足快速高效融化積雪的需求，亦具有無污染、無腐蝕等優(yōu)點(diǎn)。環(huán)保型融雪劑的制備與應(yīng)用可為我國北方大部分地區(qū)交通運(yùn)行提供重要安全保障。

隨著相關(guān)專家學(xué)者研究的進(jìn)行，環(huán)保型融雪劑的種類逐漸增多，融雪效果也在逐步提升。王東[1]等人針對(duì)傳統(tǒng)除雪方式的滯后性和低效性，研發(fā)了一種以工業(yè)廢渣、氯化鈉、疏水劑為主要成分的環(huán)保型融雪劑。并通過試驗(yàn)方式檢驗(yàn)融雪劑的融雪性能，驗(yàn)證了該融雪劑提升了寒冷冬季瀝青路面時(shí)的融雪化冰能力。張愛勤[2]等人進(jìn)行環(huán)保型融雪劑的復(fù)合組配優(yōu)化試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明，復(fù)合組配后的新產(chǎn)品極大地降低了對(duì)混凝土的侵蝕破壞。高巍[3]等人結(jié)合農(nóng)產(chǎn)品廢料，以廢棄的醋酸與秸稈灰作為基本的原料，研發(fā)出了環(huán)保、高效的融雪劑。通過檢測融雪劑pH 值、融雪效率以及其對(duì)金屬的腐蝕性等參數(shù)，驗(yàn)證了該融雪劑不僅滿足道路融雪的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求，更響應(yīng)了綠色環(huán)保的號(hào)召。王帥[4]等人利用不同融雪劑對(duì)混凝土路緣石試塊進(jìn)行凍融循環(huán)試驗(yàn)，得出醋酸鈣鎂融雪劑在凍融循環(huán)下對(duì)混凝土的耐久性影響最小這一結(jié)論。王萌[5]等人將少量緩蝕劑加入至無機(jī)鹽和有機(jī)鹽為主要成分的融雪劑中，試驗(yàn)結(jié)果表明，該環(huán)保型融雪劑對(duì)金屬、植物等基本無腐蝕，具有極大的環(huán)保性。夏宵峰[6]等人通過研究腐蝕原理，得出氯鹽類融雪劑對(duì)混凝土路面的危害機(jī)理。張勇[7]等人通過分析融雪劑對(duì)鋼筋混凝土的侵蝕作用與腐蝕原理，研究了融雪劑對(duì)混凝土橋涵和路面的危害。張超[8]等人通過試驗(yàn)研究，分析了氯鹽類和非氯鹽類融雪劑的融雪性能及其對(duì)水泥混凝土結(jié)構(gòu)的影響，提出了摻加硅灰、提高混凝土強(qiáng)度等方法能減小各種融雪劑對(duì)混凝土腐蝕。

在上述型融雪劑的研究中，學(xué)者們傾向于將無機(jī)物（NaCl）融雪劑作為基礎(chǔ)，額外添加其他有機(jī)融雪劑或其他材料復(fù)合而成環(huán)保型融雪劑。并且融雪效果測試大多選擇混凝土道路，實(shí)驗(yàn)對(duì)象不夠全面，具有一定的局限性。本文以氯鹽類融雪劑對(duì)路面、橋涵等腐蝕機(jī)理為研究基礎(chǔ)，以全部有機(jī)物融雪材料按照不同組分比例構(gòu)成，提出一種以醋酸鈣鎂鹽為主要成分的新型液態(tài)環(huán)保融雪劑，經(jīng)過一系列的性能測試，得到一種高效除雪的新型環(huán)保液態(tài)融雪劑，能夠解決嚴(yán)寒多雪環(huán)境下公路、鐵路等交通設(shè)施融雪除冰的問題。

1 融雪劑化雪（冰）機(jī)理

融雪劑進(jìn)行融雪的機(jī)理主要是因?yàn)槿谘﹦┛梢越档捅┑哪厅c(diǎn)。根據(jù)拉烏爾定律，在不同使用區(qū)域內(nèi)噴灑融雪劑，融雪劑與冰雪相融使冰雪表面產(chǎn)生少量水，在車輛荷載下逐漸形成液體，同時(shí)融雪劑中的有效成分降低了溶液的凝固點(diǎn)，使其在寒冷環(huán)境下不會(huì)再次結(jié)冰。同時(shí)，融雪劑的有效成分中存在易揮發(fā)物質(zhì)，可以在液體表上大部分覆蓋，可以減小水與空氣的接觸面積，達(dá)到降低水蒸汽壓的效果。

在0℃時(shí)冰蒸汽壓比水溶液的高，F(xiàn) 點(diǎn)處冰可以不斷轉(zhuǎn)化為水蒸汽，然后凝結(jié)為水融進(jìn)溶液，但此時(shí)溶液不能結(jié)冰。在0 攝氏度下冰蒸汽壓逐漸降低，當(dāng)降低到E 點(diǎn)時(shí)，此時(shí)為固液共存狀態(tài)，此時(shí)溫度即為水溶液的凝固點(diǎn)，如圖1 所示。當(dāng)冰與水溶液的蒸汽壓不相同時(shí)，總是會(huì)出現(xiàn)固液轉(zhuǎn)變。在使用融雪劑后，產(chǎn)生溶液的蒸汽壓小于冰雪的蒸汽壓，此時(shí)冰雪開始逐漸融化，隨著融化產(chǎn)生溶液增多，冰面逐漸破裂，從而逐漸拓展融化整個(gè)區(qū)域。

圖1 水溶液凝固點(diǎn)

2 新型融雪劑的制備

本研究通過對(duì)比不同種類有機(jī)融雪劑的環(huán)保效果、融雪效果、腐蝕程度、價(jià)格因素、液體凝固點(diǎn)等因素，選擇以醋酸鈣鎂鹽為主要成分的液態(tài)融雪劑。該融雪劑采用重心設(shè)計(jì)法確定液態(tài)融雪劑的醋酸鈣鎂鹽的最佳配比，并且經(jīng)過各成分干燥縮水及添加適量的水組成確定的配合比，最終生成以醋酸鈣鎂鹽為主要成分的融雪劑，其具有凝固點(diǎn)較高、不含具有污染性、腐蝕性的元素等一系列優(yōu)點(diǎn)。

為確定自制融雪劑材料的最佳配比，根據(jù)不同組成成分的配比采用重心設(shè)計(jì)法篩選得到最佳配方。由回歸方程求得各成分占比的回歸系數(shù)為4∶3∶3，由此可以得出該配比下的新型融雪劑的極限融雪量為4.9g。按照回歸方程所求成分配比配制質(zhì)量分?jǐn)?shù)20%的醋酸鈣鎂鹽融雪劑溶液，測試其在-10℃環(huán)境中的融冰量，值為4.8g，該實(shí)驗(yàn)值與理論值相差不大。因此可得融雪劑最佳配比為：醋酸鈣:醋酸鉀:醋酸鎂=4:3:3。

3 新型融雪劑融雪能力測試

本次測試基于環(huán)境溫度、融雪能力、融雪效果三個(gè)方面，將制備好的液態(tài)融雪劑與當(dāng)下最常用的無機(jī)融雪劑融雪效果進(jìn)行對(duì)比，觀察以醋酸鈣鎂鹽為主要成分的液態(tài)融雪劑融雪效果。

通過查閱相關(guān)文獻(xiàn)得出不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)條件下原材料的凝固點(diǎn)如表1 所示，為控制實(shí)驗(yàn)變量，統(tǒng)一選取質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%的氯化鈉和氯化鈣兩種溶液與質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%的以醋酸鈣鎂鹽為主要成分的液態(tài)融雪劑進(jìn)行對(duì)比，以確保新型環(huán)保融雪劑與以氯化鈉為主要成分的融雪劑處于液體狀態(tài)。為測試新型環(huán)保融雪劑在低溫寒冷環(huán)境下的融雪能力，控制所測試環(huán)境溫度為-10℃，所使用的融雪劑均為液態(tài)融雪劑，在相同的地點(diǎn)使用同等劑量的融雪劑對(duì)積雪區(qū)域進(jìn)行噴灑，觀察在相同時(shí)間下所達(dá)到的融雪效果。

表1 -10℃不同融雪劑融冰效果

經(jīng)實(shí)驗(yàn)對(duì)比，以醋酸鈣鎂鹽為主要成分的液態(tài)融雪劑融雪效果與氯鹽類融雪劑相差不大。不同種類的液態(tài)融雪劑在凝固點(diǎn)以上環(huán)境中都具有持續(xù)的融雪除冰能力，氯鹽類融雪劑的最小凝固點(diǎn)要比醋酸類融雪劑的高。因此在常年低溫的氣候環(huán)境中，氯鹽類融雪劑在使用時(shí)會(huì)逐漸喪失融雪除冰能力，而醋酸鈣鎂鹽融雪劑則展現(xiàn)出明顯的融雪除冰優(yōu)勢。

此外，為測試以醋酸鈣鎂鹽為主要成分的新型液態(tài)環(huán)保融雪劑在不同環(huán)境溫度下以及不同濃度條件下所能達(dá)到的融雪能力，通過調(diào)節(jié)試驗(yàn)環(huán)境溫度與改變醋酸鈣鎂鹽在融雪劑中的濃度，保持相同劑量的融雪劑用量，采用單一控制變量原則，觀察測試所能達(dá)到的融冰量。試驗(yàn)結(jié)果如表2。

表2 不同環(huán)境下各融雪劑的融雪效果

由表2 可知，隨著溶液濃度的降低，融雪劑的融雪除冰能力也會(huì)隨之降低；同一溫度下，不同濃度的融雪劑溶液的融雪除冰能力隨著濃度的增大而增大，在數(shù)值上呈現(xiàn)正相關(guān)。但在實(shí)際應(yīng)用中，濃度越高的融雪劑溶液，其造價(jià)也更高。因此，在兼顧融雪能力的同時(shí)，也考慮了其經(jīng)濟(jì)性，以醋酸鈣鎂鹽為主要成分的融雪劑溶液在現(xiàn)實(shí)中應(yīng)用時(shí)，應(yīng)當(dāng)將溶液濃度控制在30%左右，能夠滿足大部分地區(qū)冬季融雪除冰。

4 新型環(huán)保融雪劑使用性能研究

在測試新型液態(tài)環(huán)保融雪劑的融雪能力后，確定該新型液態(tài)環(huán)保融雪劑中醋酸鈣鎂鹽主要成分的濃度為30%，綜合考慮融雪劑的環(huán)保能力、腐蝕性能、性價(jià)比等不同因素，與氯化鈉、氯化鈣等不同的氯鹽類融雪劑進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)。

4.1 不同融雪劑環(huán)保能力對(duì)比

針對(duì)環(huán)保效果的測試需要通過使用融雪劑之后整體的環(huán)境變化作為參考指標(biāo)，從成分分析可以簡單得出，以醋酸鈣鎂鹽為主要成分的液態(tài)融雪劑不包含對(duì)道路、鐵路設(shè)施造成腐蝕的元素，而無機(jī)融雪劑中所包含的氯離子不僅會(huì)對(duì)鋼軌造成腐蝕，且氯酸的酸性較強(qiáng)，腐蝕效果更明顯，對(duì)于環(huán)境的污染也更強(qiáng)。

融雪劑對(duì)使用對(duì)象發(fā)生的腐蝕主要是以化學(xué)腐蝕為主。針對(duì)不同融雪劑的腐蝕性判斷，以不同融雪劑對(duì)于碳鋼的腐蝕程度判斷，以及對(duì)比不同融雪劑所含化學(xué)元素來判斷。如圖2 所示，結(jié)合實(shí)驗(yàn)表明，以醋酸鈣鎂鹽為主要成分的液態(tài)融雪劑環(huán)保性能明顯優(yōu)于以氯鹽為主的無機(jī)融雪劑。

圖2 不同融雪劑溶液對(duì)碳鋼的腐蝕率

4.2 不同融雪劑性價(jià)比對(duì)比

針對(duì)不同融雪劑的性價(jià)比研究，本文通過溶解相同體積積雪所需的不同種類融雪劑的劑量來判斷，并判斷以醋酸鈣鎂鹽為主要成分的液態(tài)融雪劑制備成本是否具備工程實(shí)用性。經(jīng)現(xiàn)場試驗(yàn)研究表明，以醋酸鈣鎂鹽為主要成分的液態(tài)融雪劑制備成本略高于以氯化鈉為主的無機(jī)融雪劑。本文自制新型液態(tài)環(huán)保融雪劑配制成質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%時(shí)的單價(jià)為1568 元/噸，其價(jià)格高于氯化鈉融雪劑（600 元/噸），但低于氯化鈣融雪劑（1650 元/噸）。綜合考慮環(huán)保性、融雪效率、腐蝕性等各方面的因素，以醋酸鈣鎂鹽為主要成分的液態(tài)融雪劑具備明顯的優(yōu)勢。

5 新型環(huán)保融雪劑的應(yīng)用

本文提出的新型液態(tài)環(huán)保融雪劑可以在嚴(yán)寒多雪環(huán)境下達(dá)到高效融雪的效果，特別適合我國西北、東北部等嚴(yán)寒地區(qū)的強(qiáng)降雪情況。不僅可以應(yīng)用于城市道路交通，還可應(yīng)用于長線路軌道交通。

5.1 道路工程除雪應(yīng)用

結(jié)合融雪劑的融冰雪機(jī)理、涂層的粘結(jié)原理與控緩釋機(jī)理，采用本文提出的新型液態(tài)環(huán)保融雪劑，以凝固點(diǎn)和融冰能力為主要參數(shù)，將一定量的乳化瀝青、水基粘結(jié)材料、化學(xué)助劑混合后，向其加入新型液態(tài)環(huán)保融雪劑并攪拌均勻，然后加水稀釋到特定的濃度，即得到抗凝冰涂料?？鼓苛峡墒褂萌斯ね克⒒驒C(jī)械噴灑的方式施工，待水分蒸發(fā)、涂層固化后即可得到抗凝冰涂層；通過試驗(yàn)研究抗凝冰涂料的除冰雪性能、耐久性以及對(duì)路面抗滑性能的影響，同時(shí)對(duì)環(huán)保型瀝青路面融冰雪涂層對(duì)路面摩擦系數(shù)、構(gòu)造深度的影響進(jìn)行了試驗(yàn)測試，結(jié)果表明環(huán)保型瀝青路面涂層對(duì)路面抗滑性能造成一定的影響，同時(shí)滿足相關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)范、質(zhì)量評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)以及施工技術(shù)規(guī)范等的要求，可以進(jìn)行推廣。

5.2 鐵路工程除雪應(yīng)用

結(jié)合本文提出的新型液態(tài)環(huán)保融雪劑，利用鐵道運(yùn)載機(jī)車，提出一種鐵路線路高效環(huán)保除雪方法應(yīng)用，它是將普通動(dòng)力火車帶動(dòng)改造后的融雪劑車廂，結(jié)合融雪設(shè)備進(jìn)行除雪，實(shí)現(xiàn)在動(dòng)力火車帶動(dòng)下，可以在低溫環(huán)境下，實(shí)現(xiàn)高效環(huán)保長距離完全融雪，極大提高了傳統(tǒng)機(jī)械融雪方式的效率，具有廣闊的應(yīng)用市場。

綜上所述，本文所提出的新型液態(tài)環(huán)保融雪劑具有廣泛的應(yīng)用場景，不僅可以在混凝土路面、橋涵表面與高速公路等應(yīng)用，還可以應(yīng)用于長距離鐵路線路融雪。且融化后的積水對(duì)混凝土道路路面、鋼軌、軌道設(shè)備等無腐蝕性，對(duì)生態(tài)環(huán)境也無污染性。采用本文提出的新型液態(tài)環(huán)保融雪劑，結(jié)合特定融雪設(shè)備噴灑，可以達(dá)到快速融雪效果。

6 結(jié)論

本文以醋酸鈣鎂鹽融雪劑為研究對(duì)象，提出了一種最佳配比為：醋酸鉀:醋酸鎂:醋酸鈣=3:3:4 的新型環(huán)保融雪劑。通過環(huán)境溫度、融雪能力、融雪效果三個(gè)方面對(duì)新型環(huán)保融雪劑的融雪性能展開測試，證明了本文提出的新型醋酸鈣鎂鹽融雪劑融雪能力突出?；诖?，得到以下結(jié)論：

①新型醋酸鈣鎂鹽融雪劑與氯鹽融雪劑相比，低溫下融雪除冰能力更強(qiáng)；相同濃度的液體融雪劑，新型醋酸鈣鎂鹽融雪劑的融雪能力更強(qiáng)；

②溶液濃度為30%的醋酸鈣鎂鹽融雪劑兼顧經(jīng)濟(jì)性和融雪除冰能力，是實(shí)際融雪劑應(yīng)用的最優(yōu)選擇；

③新型醋酸鈣鎂鹽融雪劑不含氯鹽融雪劑特有的腐蝕元素，不會(huì)對(duì)鐵路能基礎(chǔ)設(shè)施產(chǎn)生腐蝕損傷，更不會(huì)對(duì)地下水資源造成污染，是性價(jià)比、環(huán)保性能、融雪能力并重的新型環(huán)保融雪劑；

④新型醋酸鈣鎂鹽環(huán)保融雪劑能夠在嚴(yán)寒多雪環(huán)境下達(dá)到高效融雪除冰的效果，完全能夠應(yīng)用于道路與鐵路工程項(xiàng)目的融雪除冰。