常用融雪劑融雪效果影響因素分析及使用標(biāo)準(zhǔn)研究

屈 磊 單晴晴 廖勁輝 王智豪

（1.新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)公路科學(xué)技術(shù)研究有限公司，新疆 烏魯木齊 830000；2.新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)交通與物流工程學(xué)院，新疆 烏魯木齊 830000）

0 引言

冬季降到路面的雪在行車荷載作用下逐漸融化，在負(fù)溫度作用下極易形成薄冰，使路面抗滑性能急劇下降。研究表明，15%左右的交通事故與道路冰雪有關(guān)，結(jié)冰路面的交通事故率最高[1-2]。融雪劑是一把雙刃劍，它在便捷、高效除雪的同時(shí)，隱患也隨之埋下。融雪劑的大量使用，尤其是氯鹽類融雪劑的過(guò)量使用，將給交通基礎(chǔ)設(shè)施和路域環(huán)境帶來(lái)?yè)p害。

諸多學(xué)者在研究融雪劑的應(yīng)用中，發(fā)現(xiàn)融雪劑的過(guò)量使用會(huì)對(duì)水泥和瀝青路面、基礎(chǔ)設(shè)施、金屬構(gòu)件、路域環(huán)境、農(nóng)作物等帶來(lái)負(fù)面影響。但我國(guó)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)并未對(duì)融雪劑的用量進(jìn)行合理的規(guī)定[3-4]，在地方性規(guī)范中對(duì)融雪劑使用量上限進(jìn)行了規(guī)定，但缺乏科學(xué)的依據(jù)。筆者以現(xiàn)有研究為基礎(chǔ)，分析市場(chǎng)上常用融雪劑融雪效果影響因素，確定融雪劑的使用標(biāo)準(zhǔn)，以期降低交通事故率和減少交通事故損失，保障人民群眾的正常生產(chǎn)和生活，為相關(guān)部門提供參考。

1 影響融雪劑融雪效果的因素

研究表明融雪劑自身性能和環(huán)境因素對(duì)融雪劑融冰雪效果影響較大。因此，從融雪劑自身和環(huán)境兩方面考慮，選擇融雪劑類型、融雪劑摻量、溫度、路面類型、冰層厚度、融雪劑顆粒大小、摻加緩蝕劑作為影響因素展開(kāi)相關(guān)研究，具體情況見(jiàn)表1。

表1 影響因素及其研究對(duì)象與范圍

2 融雪劑融雪效果影響因素的具體表現(xiàn)

2.1 溫度對(duì)融雪劑作用過(guò)程的影響

本研究選擇了5 種溫度(-5℃、-10℃、-15℃、-20℃、-25℃)作為融雪環(huán)境溫度開(kāi)展試驗(yàn)，對(duì)不同溫度下路表冰層融化過(guò)程進(jìn)行探究，取一定時(shí)間內(nèi)融雪劑的融冰重量作為評(píng)價(jià)指標(biāo)。整理數(shù)據(jù)得到不同溫度條件下，不同融雪劑的融冰重量隨時(shí)間的變化數(shù)據(jù)并繪制成圖，如圖1所示。

圖1 4種融雪劑融冰質(zhì)量隨時(shí)間變化

圖1 中不同溫度條件下4 種融雪劑的融冰質(zhì)量表明，在代表5 個(gè)不同環(huán)境溫度的曲線中，代表-5℃的曲線處于最高位置，向下依次為-10℃、-15℃、-20℃和-25℃。隨著溫度的升高，融雪劑的融冰速率均有所提高。如在-25℃下，氯化鎂的融冰速率為6.37g/h，在-5℃下氯化鎂融冰速率提升至9.37g/h，提升幅度為47.1%。氯化鈉、氯化鈣和醋酸鉀的-5℃下融冰速率對(duì)-25℃的融冰速率提升幅度分別為462.4%、46.4%和58.1%。因此可以得出結(jié)論，融雪劑的融雪能力隨著環(huán)境溫度的升高而升高，隨著溫度的降低而降低。

另一方面，如圖1 所示，不同融雪劑對(duì)溫度的敏感性也有所不同。氯化鈉在-5℃的融冰質(zhì)量曲線與在-25℃下的融冰質(zhì)量曲線之間的高度相差很大，但醋酸鉀各溫度所代表的曲線高度相差不大。在-5℃時(shí)，氯化鈉與氯化鎂的1h 融冰質(zhì)量均在9g 以上，但在-25℃時(shí)，氯化鈉1h 融冰質(zhì)量?jī)H為1.73g，而氯化鎂1h 融冰質(zhì)量為6.37g。因此可以得出結(jié)論：不同融雪劑融雪能力對(duì)溫度敏感性不同，氯化鈉對(duì)溫度敏感性較高，其余3種融雪劑對(duì)溫度敏感性不高。

2.2 融雪劑類型對(duì)融化過(guò)程的影響

本研究選擇了氯化鈉、氯化鈣、氯化鎂、醋酸鉀4種不同的融雪劑，對(duì)不同種融雪劑作用下路表冰層的融化過(guò)程進(jìn)行探究。試驗(yàn)取融雪劑的融冰速率作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，單位為g/h。研究取融雪劑2g均勻撒布在冰塊表面，分析不同融雪劑作用下融冰質(zhì)量的差異，將得到的結(jié)果匯總得到表2；并根據(jù)表2 數(shù)據(jù)繪制出4 種融雪劑融雪速率隨溫度變化的圖表，如圖2所示。

圖2 不同融雪劑融雪融冰質(zhì)量曲線

表2 不同融雪劑融冰質(zhì)量

從圖2 融冰速率隨溫度的變化規(guī)律表明，整體上看，在代表4 種融雪劑的曲線中，氯化鈣代表的曲線高度最高，其次為氯化鎂，再次為醋酸鉀，氯化鈉所代表的曲線高度最低。在溫度為-5℃時(shí)，4種融雪劑均具有較高的融冰速率；但在其他溫度條件下，如-20℃時(shí)，4種融雪劑融冰速率排行為氯化鈣>氯化鎂>醋酸鉀>氯化鈉，融冰速率分別為7.07g/h、6.70g/h、6.20g/h和4.53g/h。因此可以得出結(jié)論：融雪劑種類不同，融冰速率則不同。整體來(lái)看，氯化鈣作用下的融冰速率最快，其次為氯化鎂，再次為醋酸鉀，最后為氯化鈉。

另一方面，從圖2 中可以看出，不同融雪劑融冰速率對(duì)溫度敏感性也有所不同。在4 條曲線中，氯化鈉代表的曲線的高度變化最大，其余3 條曲線高度變化不大。取-5℃下融冰速率對(duì)比-25℃下融冰速率的提升幅度，發(fā)現(xiàn)氯化鈉提升幅度高達(dá)462.4%，氯化鈣、氯化鎂和醋酸鉀的提升幅度分別為46.4%、47.1%和58.1%。因此可以得出結(jié)論：4種融雪劑中，氯化鈉融雪能力對(duì)溫度敏感性最大，其次為醋酸鉀，再次為氯化鎂，氯化鈣融雪能力對(duì)溫度敏感性最小。

2.3 用量對(duì)融雪劑作用過(guò)程的影響

對(duì)不同融雪劑質(zhì)量下路表冰層融化過(guò)程進(jìn)行探究，試驗(yàn)取融雪劑融冰速率作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，單位g/20min。分別取0.8g、1.2g、1.6g 與1g、1.5g、2g 融雪劑均勻撒布在相同厚度的冰塊表面，分析不同融雪劑質(zhì)量下融冰速率的差異。為保證試驗(yàn)結(jié)果的可靠性，設(shè)平行試驗(yàn)5 組。整理數(shù)據(jù)得到不同質(zhì)量融雪劑的融冰速率，統(tǒng)計(jì)結(jié)果于表3；根據(jù)表3 的數(shù)據(jù)匯總，繪制出融雪劑融冰速率隨融雪劑質(zhì)量的變化曲線，如圖3所示。

圖3 融雪速率隨融雪劑質(zhì)量變化曲線

表3 不同質(zhì)量融雪劑融冰速率

從表3和圖3中可以看出，融雪劑的融冰速率隨融雪劑質(zhì)量的增加而加快。通過(guò)函數(shù)擬合，發(fā)現(xiàn)20min的融雪劑融冰速率與融雪劑質(zhì)量呈正線性相關(guān)。因此可以得出結(jié)論：隨著融雪劑用量的增多，融雪劑融冰速率加快，并且固體融雪階段的融冰速率與融雪劑質(zhì)量成正比。

2.4 冰層厚度對(duì)融化過(guò)程影響分析

選擇了0.5cm 和1cm 兩種不同厚度的冰層，對(duì)融雪劑在不同冰層厚度下冰層的融化過(guò)程進(jìn)行探究。試驗(yàn)取融雪劑的融冰速率作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，單位為g/0.5h。研究取1g 氯化鎂融雪劑均勻撒布在冰塊表面，分析不同冰層厚度下融冰速率的差異。匯總數(shù)據(jù)見(jiàn)表4。

表4 不同冰層厚度下融雪速率

從表4 中的融雪劑融冰速率可以看出，在冰層厚度不同的情況下，融雪劑的融冰速率之間差別不大。在冰層厚度為0.5cm 時(shí)，氯化鎂的平均融冰速率為6.04g/0.5h，而在冰層厚度為1cm 時(shí)，氯化鎂的平均融冰速率為6.02g/0.5h，二者之間僅相差0.3%。因此可以得出結(jié)論：冰層厚度對(duì)融雪劑融冰雪過(guò)程無(wú)影響。

2.5 路面類型對(duì)融化過(guò)程的影響

本研究選擇了AC-20 瀝青混凝土和C30 水泥混凝土來(lái)模擬瀝青路面和水泥路面的環(huán)境，對(duì)不同路面類型下路表冰層的融化過(guò)程進(jìn)行探究。試驗(yàn)取融雪劑一定時(shí)間內(nèi)的融冰質(zhì)量作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，單位為g。研究取融雪劑1g 均勻撒布在AC-20 試件和C30 試件表面，設(shè)每20min 為一試驗(yàn)階段，在上面放置冰塊，同時(shí)設(shè)置對(duì)照組，分析不同路面種類上融雪劑融冰質(zhì)量隨時(shí)間的變化，匯總得到表5。根據(jù)表5 數(shù)據(jù)繪制出3 種路面上融雪劑融雪速率隨時(shí)間變化的圖表，如圖4所示。

圖4 路面類型對(duì)融冰質(zhì)量影響

表5 路面類型對(duì)融雪能力影響

從圖4 中可以看出，在3 個(gè)時(shí)間段內(nèi)，作用在水泥路面與瀝青路面上的融雪劑融冰質(zhì)量，與對(duì)照組融雪劑融冰質(zhì)量相當(dāng)。在1h 的時(shí)間內(nèi)，水泥路面上融雪劑總?cè)诒|(zhì)量為2.95g，瀝青路面和對(duì)照組總?cè)诒|(zhì)量為2.90g，二者僅相差1.7%。因此可以得出結(jié)論：路面類型對(duì)融雪劑融冰速率沒(méi)有影響。

2.6 融雪劑顆粒大小對(duì)融化過(guò)程的影響

本研究選擇了片狀氯化鈣和粒狀氯化鈣兩種不同顆粒大小的融雪劑，對(duì)不同顆粒大小的融雪劑作用下路表冰層的融化過(guò)程進(jìn)行探究。如圖5 所示，粒狀氯化鈣外觀呈小圓球狀，直徑較小，分布于1mm 至5mm之間；片狀氯化鈣外觀呈不規(guī)則的片狀，大小不一，整體尺寸較大，長(zhǎng)邊分布于5~8mm之間。

圖5 不同顆粒的氯化鈣

試驗(yàn)取融雪劑一定時(shí)間內(nèi)的融冰質(zhì)量作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，單位為g。研究取融雪劑1g 均勻撒布在冰塊表面，設(shè)每20min 為一試驗(yàn)階段，分析不同顆粒大小融雪劑融冰速率隨時(shí)間的變化。匯總得到表6；根據(jù)表6 數(shù)據(jù)繪制出兩種顆粒大小融雪劑平均融冰質(zhì)量隨時(shí)間變化的圖表，如圖6所示。

圖6 不同顆粒大小融雪劑融冰能力

表6 融雪劑顆粒對(duì)融雪能力影響

從圖6 中可以看出，粒狀氯化鈣的曲線位于片狀氯化鈣的曲線上方。對(duì)比片狀氯化鈣，粒狀氯化鈣20min、40min、60min 的融冰質(zhì)量分別比片狀氯化鈣高11.3%、12.4%、11.9%，這說(shuō)明顆粒較小的氯化鈣比顆粒較大的氯化鈣融雪效果更好。因此可以得出結(jié)論：融雪劑顆粒大小會(huì)對(duì)融雪劑融冰雪效果產(chǎn)生影響，融雪劑顆粒越小，融雪效果越好。

2.7 摻加緩蝕劑對(duì)融化過(guò)程影響分析

本研究選擇了兩種不同配比的融雪劑，對(duì)不同路面類型下路表冰層的融化過(guò)程進(jìn)行探究。試驗(yàn)取融雪劑一定時(shí)間內(nèi)的融冰質(zhì)量作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，單位為g。研究取融雪劑1g均勻撒布在冰塊試件1表面，設(shè)每20min為一試驗(yàn)階段，分析不同質(zhì)量配比的融雪劑融冰質(zhì)量隨時(shí)間的變化。匯總試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表7所示。

表7 摻加緩蝕劑對(duì)融雪能力影響

從表7 中可以看出，由于所摻加的緩蝕劑并沒(méi)有融雪能力，摻加20%緩蝕劑的復(fù)配融雪劑融雪能力低于不摻加緩蝕劑的融雪劑。以1h 時(shí)間來(lái)看，摻加20%緩蝕劑的氯化鈉對(duì)比單一氯化鈉融雪質(zhì)量降低20%，摻加20%緩蝕劑的氯化鎂對(duì)比單一氯化鎂融冰質(zhì)量降低20.4%，降低幅度與摻加緩蝕劑的量基本一致。因此可以得出結(jié)論：摻加緩蝕劑會(huì)降低融雪劑的融雪效果，降低幅度與摻加比例保持一致。在考慮環(huán)保的前提下，為保證融雪劑的融雪能力，復(fù)配融雪劑中摻加緩蝕劑的量應(yīng)適當(dāng)，不宜過(guò)高。

3 基于不同影響因素的融雪劑使用標(biāo)準(zhǔn)分析

融雪劑的大量使用，尤其是氯鹽類融雪劑的過(guò)量使用，會(huì)對(duì)交通基礎(chǔ)設(shè)施和路域環(huán)境產(chǎn)生損害。在前文研究的基礎(chǔ)上，提取影響融雪劑融冰雪過(guò)程的主導(dǎo)因素，基于主導(dǎo)因素繪制融雪劑融雪效果諾謨圖，以撒布量為指標(biāo)，提出融雪劑選用標(biāo)準(zhǔn)。

3.1 主導(dǎo)因素分析

前文分析的7 個(gè)影響因素中，路面類型、冰層厚度對(duì)融雪劑融冰雪過(guò)程無(wú)影響；摻加緩蝕劑所帶來(lái)的融雪能力的降低也可歸結(jié)為融雪劑質(zhì)量減少所帶來(lái)的影響。其余4 種影響因素中，融雪劑質(zhì)量與融雪劑融冰速率成正比；溫度對(duì)融雪劑融冰速率影響最高達(dá)400%以上；融雪劑類型對(duì)融雪劑融冰速率最高影響達(dá)300%以上；融雪劑顆粒大小對(duì)融雪劑融冰速率影響在10%左右。因此通過(guò)數(shù)理分析法可以得出，對(duì)4 種融雪劑融冰雪過(guò)程產(chǎn)生影響的主導(dǎo)因素為融雪劑用量和溫度?；谶@兩個(gè)主導(dǎo)因素將進(jìn)行進(jìn)一步的研究，從而繪制不同種類融雪劑的融雪效果諾謨圖。

3.2 融雪劑融雪效果諾謨圖的繪制

本文采用諾謨圖做出4 種融雪劑融冰雪能力與溫度、融雪劑質(zhì)量之間的關(guān)系圖，以便在日常生活中對(duì)應(yīng)不同的降雪量或積雪厚度選取相應(yīng)的融雪劑撒布量，達(dá)到優(yōu)化的效果。

基于前文，做出了氯化鈉、氯化鈣、氯化鎂、醋酸鉀4 種融雪劑以平方米為單位的固體融雪階段融雪能力諾謨圖，如圖7 所示。其中，由于氯化鈉溶液冰點(diǎn)一般高于-20℃，且在試驗(yàn)數(shù)據(jù)中氯化鈉在-20℃和-25℃時(shí)融雪能力下降很多，融雪能力很弱，因此只在溫度在-15℃之上時(shí)考慮使用氯化鈉做融雪劑。

圖7 四種融雪劑融雪能力諾謨圖

諾謨圖的繪制過(guò)程為：首先根據(jù)前文的試驗(yàn)數(shù)據(jù)與融雪劑質(zhì)量與融冰速率的線性關(guān)系，確定融雪劑在5 種溫度下，10g、20g、60g 和100g 用量下的融冰質(zhì)量。然后，先確定融雪劑質(zhì)量，向正下方做一條垂線，與5種溫度代表的斜線相交；過(guò)交點(diǎn)做出橫向平行線，該線即代表了特定的溫度和融雪劑質(zhì)量。再根據(jù)上文數(shù)據(jù)確定這一溫度和融雪劑質(zhì)量下的融冰質(zhì)量，在下方坐標(biāo)軸找到該值；然后向正上方做一條垂線，與代表溫度和融雪劑質(zhì)量的橫線相交，即可確定一個(gè)代表融雪劑類型的點(diǎn)。做出代表融雪劑類型的16 個(gè)點(diǎn)后，將其連接，適當(dāng)調(diào)整，得到代表一種融雪劑融雪能力的諾謨圖。

諾謨圖的應(yīng)用方式為：首先找到實(shí)際情況所需要的融冰雪質(zhì)量，向上方做一條垂線，與融雪劑曲線相交；過(guò)交點(diǎn)做橫向的平行線，與所對(duì)應(yīng)的溫度相交；過(guò)交點(diǎn)再向上做一條垂線，即可確定所需的融雪劑用量。

3.3 融雪劑選用及撒布量確定方法

融雪劑的實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，和實(shí)際降雪的降雪量聯(lián)系緊密。降雪量是從天空中降落到地面上的固態(tài)水，未經(jīng)蒸發(fā)、滲透、流失，融化后在水平面上積聚的厚度以毫米為單位。我國(guó)根據(jù)24h 降雪量的大小將雪量等級(jí)分為數(shù)檔，本文選取部分雪量等級(jí)見(jiàn)表8。

表8 部分雪量等級(jí)表

經(jīng)計(jì)算，24h 降雪量為2.4mm 的小雪，每小時(shí)降于1m2的路面的雪量為100g。將融雪劑融冰雪質(zhì)量換算為降雪量，以1h 為單位，可以得到融雪劑類型與降雪量的對(duì)應(yīng)關(guān)系圖，如圖8所示。

圖8 融雪劑類型與降雪量關(guān)系圖

在融雪劑融雪效果諾謨圖中，采用的融雪能力為融雪劑固體階段的融冰質(zhì)量，即1h 中前20min 的融雪能力，不能完整替代整個(gè)融雪過(guò)程。因此，結(jié)合前文中的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，將不同種類融雪劑20min 融冰質(zhì)量和1h融冰質(zhì)量進(jìn)行比較。經(jīng)計(jì)算，同種融雪劑20min 融冰質(zhì)量和1h 融冰質(zhì)量比值較為接近，上下浮動(dòng)不超過(guò)10%。因此取其比值的均值作為折減系數(shù)，即在圖8中確定的融雪劑質(zhì)量乘以對(duì)應(yīng)的折減系數(shù)，即為實(shí)際所需的融雪劑撒布量。4 種融雪劑的折減系數(shù)見(jiàn)表9 所示。實(shí)際撒布量上限應(yīng)以規(guī)范和地方性文件為標(biāo)準(zhǔn)。

表9 不同融雪劑實(shí)際應(yīng)用折減系數(shù)

分析試驗(yàn)數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，溫度越高，20min融冰質(zhì)量占比越小，這說(shuō)明鹽溶液融雪階段融雪能力較強(qiáng)。因此在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，若是溫度相對(duì)較高，可以適當(dāng)減少融雪劑用量，即減小折減系數(shù)；反之，溫度相對(duì)較低時(shí)也可適當(dāng)增大折減系數(shù)，減小和增大幅度應(yīng)在0.05之內(nèi)。除了融雪能力的考量，經(jīng)濟(jì)性也是實(shí)際應(yīng)用中的一個(gè)重要因素。查閱相關(guān)網(wǎng)站后，得到了本試驗(yàn)采用的4 種融雪劑的價(jià)格，見(jiàn)表9所示。

根據(jù)圖8中4種融雪劑曲線可以看出，從融雪能力上看，效果最好的是氯化鈣，其次是氯化鎂、醋酸鉀，氯化鈉效果較差。并且氯化鈉在-15℃以下時(shí)融雪能力下降嚴(yán)重，在應(yīng)對(duì)低溫度的降雪時(shí)也不宜采用氯化鈉做融雪劑。因此可以得出結(jié)論：應(yīng)用效果排行為氯化鈣>氯化鎂>醋酸鉀>氯化鈉。

從經(jīng)濟(jì)性上看，氯化鈉作為應(yīng)用最為廣泛的融雪劑，其價(jià)格最為低廉；氯化鎂、氯化鈣價(jià)格較為接近，而醋酸鉀價(jià)格十分昂貴。因此，在成本允許的情況下，優(yōu)先選擇融雪能力好的氯化鈣和氯化鎂。在機(jī)場(chǎng)等要求較高的路面上可以使用醋酸鉀。

從環(huán)保性上看，學(xué)者對(duì)幾種常見(jiàn)融雪劑對(duì)路面的影響進(jìn)行了探究，發(fā)現(xiàn)對(duì)水泥路面的負(fù)面影響排行為氯化鈉>氯化鈣>氯化鎂；對(duì)瀝青混凝土路面穩(wěn)定性的影響程度排行為醋酸鉀>氯化鈣>氯化鈉；對(duì)環(huán)境影響最小的為醋酸系融雪劑。同時(shí)，可以在融雪劑中復(fù)配適宜比例的緩蝕劑，防止融雪劑對(duì)路面、金屬構(gòu)件等的腐蝕。撒布融雪劑前可以通過(guò)研磨將融雪劑顆粒的尺寸減小，也可適當(dāng)降低融雪劑的用量。

因此綜合以上因素的考量，在路域應(yīng)用中，最優(yōu)應(yīng)用為適當(dāng)摻加緩蝕劑的復(fù)配小顆粒氯化鎂融雪劑。當(dāng)需要較高融雪能力時(shí)，可采用氯化鈣融雪劑；當(dāng)融雪經(jīng)費(fèi)極為有限時(shí)，可采用氯化鈉融雪劑。

4 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)研究得出以下結(jié)論：融雪劑的融雪能力隨著環(huán)境溫度的升高而升高，隨著溫度的降低而降低；隨著融雪劑用量的增多，融雪劑融冰速率加快，并且固體融雪階段的融冰速率與融雪劑質(zhì)量成正比；冰層厚度對(duì)融雪劑融冰雪過(guò)程無(wú)影響。相同時(shí)間內(nèi)，氯化鈣融冰深度最大，區(qū)域最廣，融雪效果好；氯化鎂次之；氯化鈉與醋酸鉀融雪效果相對(duì)較差。在路域應(yīng)用中，最優(yōu)應(yīng)用為適當(dāng)摻加緩蝕劑的復(fù)配小顆粒氯化鎂融雪劑；當(dāng)需要較高融雪能力時(shí)，可采用氯化鈣融雪劑；當(dāng)融雪經(jīng)費(fèi)極為有限時(shí)，可采用氯化鈉融雪劑。