我國道路融雪劑的研發與應用

李義強，楊鳳至，曹玉海，李 根，韓永萍，黃占斌

(1.北京市首發天人生態景觀有限公司 北京市 102600； 2.中國礦業大學(北京) 北京市 100083；3.北京聯合大學 北京市 100101)

道路是我國運輸的主要方式和社會發展的主動脈，2018年末我國公路總里程485萬公里，是1949年的60倍，高速公路總里程14.3萬公里，總里程居世界首位。冬季積雪易使路面凍冰堅硬濕滑，而公路行車速度快，會增加交通事故的發生概率。據統計，冬季冰雪天氣會使交通事故的發生概率提高84%，事故中人員的傷亡率也會增加75%。為保護人民生命財產安全，解決冬季冰雪天氣對道路出行的不良影響，從上世紀開始各國一直在探索能夠有效除雪除冰的技術?，F有的融雪除冰技術可分為內部除冰技術和外部除冰技術。內部除冰技術指利用外界熱量加熱路面或向路面鋪設的材料添加化學抑制劑、改變路面性質的技術。外部除冰技術則是指使用人工、機械掃雪除冰或者撒施融雪劑、降低冰點方法進行除雪。由于機械除雪效率低，而內部除冰技術的造價昂貴不適合大面積使用，所以施用融雪劑是最廣泛和便捷的融雪除冰方法。但是隨著融雪劑的廣泛使用，其對環境的影響也逐漸顯現出來。隨著人類對生態環境的關注，我國和世界其他國家一樣，對融雪劑的研究逐漸從氯鹽型融雪劑向環保復合型融雪劑方向發展。對此，總結分析了我國融雪劑的應用現狀和存在問題以及融雪劑的研發進展，為新型融雪劑的研發和合理使用提供參考。

1 我國融雪劑的應用現狀與環境問題

1.1 融雪劑作用機理與應用現狀

融雪劑的作用機理是依據稀溶液依數性作用原理，所謂稀溶液依數性就是向稀溶液中添加小分子難揮發性的溶質，會使溶液的蒸氣壓下降、沸點升高和凝固點下降。因此融雪劑采用無機或有機鹽類物質，使雪融化成稀水溶液后在較低溫度下凝固點較低，難以結冰；同時含融雪劑的水的蒸氣壓下降，而固態冰的蒸氣壓不變，蒸氣壓平衡中冰水混合冰就會溶化。如融雪劑中氯化鈉溶于水后冰點在-10℃，氯化鈣溶于水后在-20℃，醋酸在-30℃。

按照所含主要成分可將融雪劑分三類：氯鹽型融雪劑、非氯鹽型融雪劑及環保復合型融雪劑。隨著城市的不斷發展，融雪劑的需求量也在不斷上升。美國每年融雪劑用量達1500萬噸，歐盟各國用量也在50～200萬噸。為削弱融雪劑對環境的影響，美國從20世紀80年代開始使用醋酸鈣鎂(CMA)融雪劑，俄羅斯開始在機場使用硝酸鈣、硝酸鎂與尿素的混合物-NKMM制劑，加拿大和歐盟則使用氯化鎂、氯化鈉和尿素的混合物作為融雪劑。我國20世紀90年代開始使用融雪劑，現在每年用量達到60多萬噸，其中沈陽市每年冬季融雪劑用量1萬多噸，北京市年使用融雪劑3萬多噸。為保護生態環境，北京市市政管委從2011年開始投入3.9億元購置清雪除冰機械，實施機械工具為主、融雪劑為輔的雪天應急方案。為對融雪劑的生產使用做出統一監管，我國2009年出臺融雪劑生產標準GB/T 23851-2009，并于2017年重新修訂，地方上只有北京市出臺融雪劑的生產標準DB11/T161-2002并在2012年進行修訂完善。

1.2 融雪劑的危害

(1)融雪劑對路面的危害

殘留的融雪劑會嚴重磨損道路表面，融雪劑中的Na+會與混凝土中的堿骨料發生化學反應，使其膨脹和開裂，最終破壞路面；同時融雪劑中的鹽離子會與水發生鹽漲現象從而破壞路基[1]。融雪劑會腐蝕市政基建金屬設施，使其性能和使用壽命大大降低。融雪劑中的鹽離子還會與車輛底盤的金屬構件發生電化學腐蝕反應，使其生銹、腐蝕甚至造成嚴重交通事故；同時還會通過破壞道路路基和路面，縮短道路使用壽命[2]。

(2)融雪劑對橋梁和車輛的危害

融雪劑中的氯離子是一種高效活化劑，不僅腐蝕道路橋梁的金屬構件和車輛的底盤及車身，而且能夠在極低濃度下破壞鋼筋表面的鈍化膜，使混凝土內部保持濕潤，從而減小混凝土的電阻率并加速混凝土內鋼筋銹蝕，嚴重時使混凝土中的鋼筋出現縱向裂縫和保護層剝落，造成截面承載力失效。

(3)融雪劑對道路周邊生態環境的危害

融雪劑在道路上施用，會隨著消融水進入道路周邊土壤，使土壤中的鹽離子濃度上升，改變土壤物理化學性質從而使土壤很難恢復到原始狀態[3]。融雪劑進入水體后，會增加水體中鹽離子的濃度，使魚類和水生植物受到影響，污染飲用水，對人體健康造成危害[4]。土壤中殘存的融雪劑通過融雪劑+凍融復合脅迫，對植物產生系列影響：

①抑制植物種子萌發，減少土壤種子庫效應。

②造成土壤鹽堿化和對植物形成“生理干旱”，使植物很難吸收土壤中高鹽濃度中的水分。

③破壞植物細胞膜和植物光合作用等生理過程，導致植物失綠和整體死亡。

據報道，我國融雪劑對公路綠化帶樹木植物損害高達5%～10%。北京市曾因冬季施用融雪劑，春季城區近3000株行道樹、5萬多平方米草坪和40萬余株綠籬枯死，直接經濟損失1500萬多元。

2 我國融雪劑的研發進展

2.1 氯鹽型融雪劑

氯鹽型融雪劑主要包括氯化鈉(NaCl)、氯化鈣(CaCl2)、氯化鎂(MgCl2)等。這類融雪劑的冰點低、資源豐富、價格低廉、融雪效果好，廣泛應用于公路融雪，應用比例90%以上，但對道路、環境、植物危害影響大。日本研發了一種將磷酸鹽及可溶性鉀鹽添加入粗制氯化鈣和硫酸鎂混合物的融雪劑。日本學者AOKI發明了一種以CaCl2為主要成分的雙層結構融雪劑，并添加石頭、礫石等工業廢料作為蓄熱材料蓄積太陽能用以融雪，減少了CaCl2用量，以削弱其對環境的影響。

2.2 非氯鹽型融雪劑

這類融雪劑以醋酸鹽(如醋酸鈣鎂、醋酸鉀)、尿素、二元醇等不含氯的物質為主。但是其冰點高、融雪效果較差、價格昂貴，如醋酸鈣鎂極限冰點在-10℃左右，同樣效果下需用量是氯鹽類的2～3倍，使用成本是氯鹽類的20～30倍。非氯鹽類融雪劑中其它物質在貯存、處理、環保、安全等方面存在各種缺陷，加之價格高而應用范圍有限，僅在機場、高級停車場、別墅區域使用。

美國的DOT公司利用城市垃圾中含碳酸鎂的石灰石與纖維素生產出無氯環保融雪劑—醋酸鈣鎂(CMA)[5]并在世界范圍得到廣泛使用，但價格昂貴，每噸近萬元。我國對非氯鹽融雪劑分類，一是通過利用生物質熱解中的副產物木醋液為原料與含鈣物質反應生產有機酸融雪劑。許英梅等[6]利用生物質(秸稈、木屑等)熱解廢液(木醋液)為原料與鈣鎂氧化物制備出CMA有機融雪劑。二是將一些有機物作為原料制備新的環保融雪劑。吳易川[7]將造紙生產過程中鈣基廢物與低碳有機酸混合研制出融雪性能好且腐蝕性低的融雪劑。以上研發的融雪劑雖然對環境危害小，但由于其制造原料資源不穩定，且生產過程復雜和成本較高而難以大量生產并推廣應用。

2.3 環保型融雪劑

目前環保融雪劑分環保復合型融雪劑和以CMA為代表的環保有機融雪劑兩大類。針對氯鹽類融雪劑價格低廉但對環境有較大負面影響、非氯鹽類融雪劑對生態環境的影響低但價格昂貴問題，將前兩類融雪劑混合或添加阻銹劑融雪劑，以削弱其危害和降低成本成為環保復合融雪劑的方向(表1)。這方面研發報道較多，His A與Gustafson K[8]研制出一種對路面、市政設施的腐蝕性比NaCl低、但溶解度低于NaCl的環保融雪劑。韓春蘭等[9]以氯化鈣、尿素以及重過磷酸鈣為原料，研制出復合型融雪劑。王國強等[10]將氯化鈣和尿素、亞硝酸鈉、硫酸鉀混合成具有良好性能的融雪劑。韓永萍等[11]向黃腐酸中加入醋酸鈣、氯化鈣反應生成一種具有較強的融冰性能、對碳鋼腐蝕性低、還具有植物營養功效的融雪劑。這些研發的融雪劑雖然成本較低，但生產過程和工藝依舊繁復，難以大規模量化生產。

表1 環保復合型融雪劑的種類與特點

以CMA為代表的環保有機融雪劑是融雪劑今后研發的重要方向，其關鍵是要使用環境友好的原料，優化工藝，降低生產成本。目前生物炭在我國水土保持、環境治理和生活水凈化領域里發展迅速，生物質熱解生產生物炭過程中所產木醋液中富含分子量較小的有機酸，但是木醋液所含雜質太多，分離純化的成本較高；利用生物質發酵所產的生化腐植酸也是分子量較小有機酸，但原料來源復雜和含氧官能團差異太大，使得氧化成本也較高；更重要的是，目前融雪劑一般為固體，由液體制造干燥成固體的成本一般達到融雪劑成本的一半以上，所以改變融雪劑的生產工藝和劑型，采用液體融雪劑，將是降低成本和生產環保有機融雪劑研發的重要方向。

3 結論

融雪劑施用仍然是國內外冬季除雪的重要方式，受經濟、習慣等因素影響，氯鹽類融雪劑在許多地區還在施用，造成的環境危害和對道路、車輛及橋涵損壞問題嚴重。隨著社會經濟發展和生態環保意識加強，研發低成本、環保型的環保有機酸類融雪劑是今后發展的方向，采用液態融雪劑劑型也是降低成本的重要方式。采用生化腐植酸、木醋液等低分子量有機酸合成有機酸鹽類融雪劑有一定前景。除此之外，融雪劑施用中應加強即時除雪，同時更要合理施用融雪劑，也是提升融雪劑應用效果的重要措施。