融雪劑的實用表征方法

胡 輝，肖娟定

(安徽聯合安全科技有限公司)

1 前 言

在嚴寒環境中，除雪和除冰的裝置或化學試劑是保持公路暢通的必要手段。目前，國內的除雪方式主要有人工除雪、機械除雪和化學除雪，而其中，化學除雪因其方便快捷、成本低、見效快等優點受到越來越廣泛的關注。化學除雪的方式是指在路面上鋪撒融雪劑，融雪劑是用來使道路上的冰雪快速融化或者使新雪不易凝結的試劑，又稱除冰鹽、化冰鹽、道路防凍劑。融雪劑主要分為兩類:一類為無機融雪劑，以氯鹽類為主要成分;另一類為有機融雪劑，以醋酸鹽類、醇類為主要成分。因常見有機融雪劑如醋酸鈣鎂鹽的成本較高，簡單的多羥基醇類又存在裝載不便和摩擦系數太低的缺陷，所以目前在對新型融雪劑的實驗研究中，研究者們仍主要集中于以氯化鈉、氯化鈣和氯化鎂為主要成分的復合氯鹽型融雪劑的研制。

2 井鹽或海鹽的成分分析

2.1 物理性質分析

對井鹽或海鹽的物理性質測試包括:(1)外觀:粉末狀或顆粒狀;(2)溶解速度:測試方法見3.2;(3)水不溶物的含量。

2.2 化學性質分析

對井鹽或海鹽的化學性質測試包括:(1)pH 值:可以用pH 計直接進行測量;(2)重金屬離子含量:用原子吸收分光光度計(如鉻、鎘、鉛等)或原子吸收光譜儀(如汞、砷)進行測量;(3)有機物含量:氣相色譜－質譜聯用可以測量有機物的成分和含量;(4)含水量:用熱重分析技術(TGA)可以測量其含水量，并輔助驗證有機物含量;(5)堿性物質含量的測定:酸堿滴定法;(6)井鹽或海鹽中氯化鈉含量的測定:選用熒光黃指示劑，采用銀量法進行測量。

3 融雪劑的結構表征方法

3.1 紅外光譜(IR)和粉末X 射線衍射(PXRD)

針對醋酸鈣鎂等有機鹽類融雪劑，可以選用IR 這一表征手段。用紅外光照射有機物分子時，可得到分子中的不同化學鍵或官能團信息。通過對醋酸鈣鎂等有機鹽類融雪劑的IR 測試，我們可以根據特征峰的位置得到羧酸鹽存在的證據。通過PXRD 測試可以確定材料中存在的物相。針對無機鹽類融雪劑，如純氯化鈉和氯化鈣、或醋酸鈣鎂鹽等，都可以選用PXRD 這一表征手段。如張曉麗等人粗木醋液和白云石礦石粉為主要原料制備了醋酸鈣鎂鹽的融雪劑，并分別用IR 和PXRD 手段對其進行了表征，用IR 在1 609 cm－1 和1 448 cm－1 兩處的特征峰證明了羧酸鹽的存在，而用PXRD 表征則得到了該融雪劑中醋酸鈣鎂鹽的各種不同結晶相，為對該融雪劑進行深入的性能研究提供了依據。

3.2 熱重分析(TG)和差熱分析(DTA)

TG 是指在程序控制溫度下分析被測融雪劑的失重情況，如張良等人對醋酸鈣鎂鹽的TG 測試，通過分析TG 圖的不同失重平臺，得到該醋酸鹽的熱穩定性，以及融雪劑中的結晶水和醋酸鹽等各組分含量。而DTA 是指在程序控制溫度下分析被測物和參比物的溫度差隨溫度或時間的變化，得到的是融雪劑在不同溫度或時間下的吸熱或放熱峰，不同的融雪劑在受熱分解時，在不同的溫度會有不同的吸熱峰，通過這個特點可以分析同類型的融雪劑在主成份含量上的差異性。對熱重曲線進行微分得到DTG 曲線，通過分析DTG曲線與DTA 曲線的差異性，也可以得到不同融雪劑的許多內在組份信息。

3.3 掃描電鏡和能譜儀(SEM－EDAX)

用掃描電鏡(SEM)對融雪劑的表面狀態進行分析，能得到其微觀形貌、組成、晶體結構，而獲取該融雪劑樣品本身的各種物理、化學性質的信息;能譜儀(EDAX)是掃描電鏡上用的一種附屬分析設備，可以得到顯微圖像上我們感興趣的某個點的元素種類和含量。但是在實際研究中，該表征方法則主要用于融雪劑對碳鋼、混凝土等物相的腐蝕性研究，通過SEM 圖片的前后對比(如圖1)可以定性了解融雪劑對金屬表面的腐蝕程度;通過EDAX 測試得到金屬表面特定點的各元素含量，從而也能實現對該融雪劑腐蝕性能的半定量分析。

4 融雪劑性能表征

4.1 外觀

自然光下，用目測法判定，可以為顆粒或片狀固體、無色液體。

4.2 溶解速度的測定

根據國標GB/T 23851－2009，對融雪劑的溶解速度測定用到的儀器為電動攪拌器和秒表。稱取定量樣品(40.0± 0.1 g)放入裝有200 mL 25 ±2 ℃蒸餾水的燒杯中，設定電動攪拌器的轉速為100 r/min，記錄樣品完全溶解所需的時間，按照以下公式進行計算

其中r 為轉速，g/min;m 為樣品質量，g;t 為溶解時間，min。多測幾次取平均值。

4.3 冰點的測定

最直接的方法是使用冰點測試儀。但是用最傳統的凝固點降低法也可以測溶液的冰點，具體實施辦法如下:配置濃度為200 g/L 的融雪劑儲備溶液，在低于冰點的溫度環境中將溫度計插入該融雪劑溶液中，記錄溫度隨時間的變化，繪制溫度－時間曲線，曲線平緩處相對應的溫度即為此濃度下融雪劑的冰點溫度。值得注意的是，冰點之前曲線最低點為過冷點，且過冷點會因冰鹽水的溫度不同而有所差異。

4.4 融雪化冰能力的測定

根據國標GB/T 23851－2009，對融雪劑的融雪化冰能力的測定用到的儀器為低溫恒溫箱。配置濃度為200 g/L的融雪劑儲備溶液，在－10 ±1 ℃的低溫恒溫箱中冷凍兩個100 mL 的冰塊備用;在同一低溫恒溫箱中將25 mL 融雪劑和25 mL 氯化鈉溶液分別冷凍12 h。然后將該融雪劑溶液和氯化鈉溶液倒入冰塊中，記錄0.5 h 前后冰塊的質量變化，再按以下公式進行計算

m0是加入融雪劑溶液前的燒杯和冰塊的質量，g;m1是加入融雪劑溶液后的燒杯和剩余冰塊的質量，g;m'0是加入氯化鈉溶液前的燒杯和冰塊的質量，g;m'1是加入氯化鈉溶液后的燒杯和剩余冰塊的質量，g。

4.5 pH 值的測定

根據國標GB/T 23851－2009，稱取1.00 ± 0.01 g 融雪劑固體樣品，先用5 mL 乙醇潤濕，再加入100 mL 的去二氧化碳水，配置成一定濃度的融雪劑溶液。對PH 計進行校準，然后用PH 計可以直接準確測量。

4.6 碳鋼腐蝕率的測定

根據國標GB/T 23851－2009，稱取5.0 ± 0.01 g 融雪劑(或相當于固體樣品量的液體樣品)溶于100 mL 水中。將符合HG/T 3523 規定的碳鋼片用砂紙擦拭干并清洗干燥，懸掛在融雪劑溶液中72 h，用酸、蒸餾水等洗去腐蝕物，記錄腐蝕前后的碳鋼片的質量。按以下公式進行計算即可得到該融雪劑的碳鋼腐蝕率

其中，X 為腐蝕率，mm/a;m 為碳鋼片的質量損失，g;m0為碳鋼片酸洗空白試驗的質量損失平均值，g;S 為碳鋼片的表面積，cm2;ρ 是碳鋼片的密度，g/cm3;t 為試驗時間，h。

4.7 混凝土腐蝕率的測定

一般融雪劑對瀝青混凝土造成的危害要小的多，所以對瀝青混凝土路面的腐蝕性可以通過在規定濃度的融雪劑溶液(一般為15%)中浸泡24 h 的實驗進行測定，觀測瀝青混凝土表面無剝落即為合格。對水泥混凝土的腐蝕性可以通過計算融雪劑處理之后的強度損失和質量損失來實現，具體操作規程可參考國標GB/J 82－1985 和相關論文，如《高速公路融雪劑技術標準探討》。

4.8 路面摩擦衰減率的測定

根據DB11/T 161－2012，對融雪劑路面摩擦衰減率的測定用到的儀器為擺式儀。將一定規格的混凝土試塊洗凈備用，分別向其表面緩慢均勻的噴灑去離子水、融雪劑溶液，模擬濕基或半濕基的路面，10 min 后分別用擺式儀測其抗滑值，并用如下公式進行摩擦衰減率的測定

其中，M 為融雪劑的路面摩擦衰減率，%;H 為融雪劑(BPN)為融雪劑的抗滑值;H 本底為本底抗滑值。需多次測量取平均值。

4.9 各種重金屬離子、陰離子含量的測定

根據標準GB/T 23851－2009 和GB/T 9723－2007，可以用原子吸收分光光度計對隔(Cd2+)、鉻(Cr3+)、鉛(Pb2+)等金屬離子進行含量測定，用原子吸收光譜儀可以對汞(Hg2+)的含量進行測定。根據GB/T 5009.76－2003，用比色法或砷斑法可以對砷的含量進行測定。也可以用許多簡單的物理或化學方法對陰陽離子的存在進行驗證，如觀察溶液的顏色，如果是無色溶液，則可以排除Cr3+、Co2+、Cu2+、Fe3+、Ni2+、Mn2+等有色金屬的存在;若融雪劑溶液與H2SO4無沉淀表明不含重金屬離子Pb2+，與KSCN 無沉淀表明不含重金屬離子Hg2+;用鋇鹽可以檢驗SO2－4的存在與否;用銀量法則可以測定溶液中Cl－的含量;通過測定pH 值，繼而用酸堿滴定試驗測定溶液中H+或OH－的濃度。

4.10 植物耐鹽性和種子相對受害率試驗

按照北京市地方標準DB11/T161－2002，對不同融雪劑進行植物耐鹽試驗，試驗實施方法為:劃出2 塊等體積的草坪，分別用融雪劑和氯化鈉溶液每周進行等量噴灑，直到植物受害的累積噴灑量即為耐鹽量，以g/m2表示。

對植物種子的相對受害率檢測試驗實施方法為:選取飽滿健康種子若干，放入發芽盒內，用5 g/L 濃度的融雪劑溶液潤濕，在恒溫培養箱中培養，注意及時加水保持種子濕潤，12 d 后記錄種子發芽數量，并用蒸餾水做對照試驗，計算植物種子相對受害率。

5 科學選用表征方法

融雪劑不論其化學組成，對道路、交通工具、建筑物、環境、植物等均會有一些不良影響。氯鹽類融雪劑被廣泛使用，但是它具有強烈的腐蝕性和促進凍融破壞性，對基礎設施、建筑物等均能造成嚴重腐蝕。不同地區由于有不同的基礎設施，對融雪劑的要求標準自然也會有所不同，故需要根據不同的融雪劑要求對融雪劑的性能進行科學表征。一般說來，在融雪劑的結構和性能表征過程中，可用到如下幾類方法。

5.1 正交試驗方法

正交試驗設計是研究多因素多水平的一種設計方法，根據正交性從全面試驗中挑選出部分有代表性的點進行試驗，可以達到優化并確認某類融雪劑的最佳配方的效果。如選用L9(34)正交表(如表1、表2 )做正交試驗來優選緩蝕劑的最佳組分，宋乃建等人也將其用于醋酸鈣鎂類融雪劑的制備條件的優選，得到各正交試驗條件下的融雪劑的融冰能力，從而得出融冰效率高，對金屬腐蝕小，對植物生長無影響的最優融雪劑。

表1 配方選擇因素水平表

表2 正交實驗結果

5.2 控制變量法

當實驗過程中的變量太多時，可以控制其他變量保持不變，而考察某一特定變量對融雪劑性能的影響。如在利用醋酸稀溶液生產醋酸鈣鎂鹽的研究中，研究者們以CaO、MgO或兩者混合物的水溶液為反萃劑，通過控制變量研究不同因素如反萃劑濃度、負載醋酸濃度、相比、PH 值等對反萃效果的影響。

5.3 對比試驗

純氯化鈉融雪劑對環境的危害很大，但是成本低，故研究者們偏向于向氯化鈉中混合入其他氯化物如氯化鈣或氯化鎂等、并添加緩蝕劑、防銹劑、氯離子活性抑制劑等來降低融雪劑對環境的危害。所以，對新型融雪劑的許多性能研究，需要與純氯化鈉融雪劑進行對比，如植物耐鹽性和種子相對受害率實驗中。在前面介紹的對融雪劑的性能測試中，也有許多只有蒸餾水存在條件下的空白對比試驗，如前面所述的路面摩擦衰減率的測定。

6 結束語

本文通過對融雪劑合成原材料、融雪劑的表征方法的總結，以及對融雪劑性能的表征方法的總結，得到在新型融雪劑的開發研制過程中的一些實用表征方法。根據不同地區不同的融雪劑標準，我們可以科學選用這些表征方法對融雪劑的結構和性能進行表征，也可以選用科學的試驗方法來優化融雪劑的合成條件及其性能。我們相信本文可以為即將進入融雪劑相關研究領域的新手們提供最基礎的實驗指導。

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