融雪劑在不同條件下的融雪化冰能力研究

李 盼 孫鉑煊 任一博

（河南交院工程技術(shù)集團(tuán)有限公司，河南 鄭州 450000）

0 引言

隨著國(guó)家經(jīng)濟(jì)實(shí)力的提升，橋梁建設(shè)得到了極大的發(fā)展，橋梁在道路運(yùn)輸、市政交通中發(fā)揮著不可或缺的作用。我國(guó)橋梁修建中常采用水泥混凝土結(jié)構(gòu)，因其原材料成本低、力學(xué)強(qiáng)度高、施工易操作等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用。我國(guó)北方冬季降雪天氣較多，積雪結(jié)冰后路面濕滑，影響交通運(yùn)行甚至造成交通事故。融雪劑已成為主要的除雪方式，但融雪劑除雪是一把“雙刃劍”，它既能快速融化冰雪保障行車安全，也會(huì)對(duì)橋梁路面結(jié)構(gòu)造成嚴(yán)重破壞［1］。經(jīng)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，在融雪劑使用2 年后橋面就會(huì)出現(xiàn)明顯的鹽凍剝蝕破壞現(xiàn)象，從而影響橋梁使用的耐久性，縮短使用壽命并造成較大經(jīng)濟(jì)損失。因此，探究融雪劑在不同條件下所發(fā)揮的性能，科學(xué)合理使用融雪劑顯得尤為重要。

1 融雪劑的使用原理

路面除雪中常用的有氯鹽類的無(wú)機(jī)融雪劑和非氯鹽類的有機(jī)融雪劑兩種［2］。氯鹽類融雪劑包括氯化鈉、氯化鈣、氯化鎂等，非氯鹽類融雪劑主要有醋酸鈉、醋酸鈣、醋酸鎂，其原理是降低水的冰點(diǎn)和鹽水的凝固點(diǎn)來(lái)實(shí)現(xiàn)融雪效果。同時(shí)融雪劑溶解吸熱，使鹽水凝固點(diǎn)進(jìn)一步降低，導(dǎo)致融化的冰雪難以再結(jié)冰，更有利于對(duì)雪的清理［3］。

本研究選取氯化鈉、氯化鈣、醋酸鈉3 種典型融雪劑，探究在不同時(shí)長(zhǎng)、不同壓強(qiáng)、不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)、不同溫度、不同狀態(tài)條件下融雪劑的使用對(duì)融雪化冰效果的影響。在試驗(yàn)數(shù)據(jù)及分析結(jié)果基礎(chǔ)上，為融雪劑的科學(xué)合理使用提供依據(jù)［4］。

2 不同時(shí)長(zhǎng)條件下的融雪化冰試驗(yàn)

按照《融雪劑》（GT∕T 23851—2017）中的規(guī)定，分別測(cè)定氯化鈉、氯化鈣、醋酸鈉溶液的相對(duì)融雪化冰能力。分別移取25.00 mL 氯化鈉、氯化鈣、醋酸鈉溶液（質(zhì)量分?jǐn)?shù)均為18.0%），于3 個(gè)50 mL 燒杯中，置于-10 ℃±1 ℃的低溫恒溫箱中，3 h 后備用。從低溫恒溫箱中取出帶有冰塊的燒杯，擦干外壁上的水和冰，室溫下迅速稱重，精確至0.1 g［5］。將低溫恒溫箱中的氯化鈉、氯化鈣、醋酸鈉試驗(yàn)溶液分別取出，迅速倒入盛有冰塊的燒杯中，然后放回-10 ℃±1 ℃的低溫恒溫箱中，0.5 h 后取出，立即傾倒其中液體，室溫下迅速稱重?zé)褪Ｓ啾鶋K質(zhì)量，各平行測(cè)定兩次。

同時(shí)，平行制備另外2組試驗(yàn)溶液，分別于1 h、2 h 后取出，立即傾倒其中液體，室溫下迅速稱重?zé)褪Ｓ啾鶋K質(zhì)量，各平行測(cè)定兩次，測(cè)定結(jié)果見(jiàn)表1，融冰量和相對(duì)融冰能力見(jiàn)表2和圖1、圖2。

圖1 不同時(shí)間的融冰量

圖2 不同時(shí)間的相對(duì)融冰能力

表1 相對(duì)融雪化冰能力試驗(yàn)結(jié)果單位：mL

表2 融冰量和相對(duì)融冰能力計(jì)算

融雪劑的相對(duì)融雪化冰能力以ω按式（1）計(jì)算。

式中：m0為未加入融雪劑試驗(yàn)溶液的燒杯和冰塊的質(zhì)量，g；m1為倒出融雪劑試驗(yàn)溶液與融化的冰后燒杯和剩余冰塊的質(zhì)量，g；m'0為未加入氯化鈉溶液的燒杯和冰塊的質(zhì)量，g；m'1為倒出氯化鈉溶液與融化的冰后燒杯和剩余冰塊的質(zhì)量，g。取平行測(cè)定結(jié)果的算術(shù)平均值為測(cè)定結(jié)果，兩次平行測(cè)定結(jié)果的絕對(duì)差值不大于5%。

由圖1 可知，氯化鈉、氯化鈣、醋酸鈉溶液前0.5 h 融冰速度最快，基本呈線性；0.5～1.0 h 融冰速度有所下降，曲線較為平緩；1.0～2.0 h 融冰量速度最小，曲線已接近水平線。三種溶液前0.5 h 融冰量占前2 h 總?cè)诒康谋壤謩e為61.7%、63.4%、69.2%，均在60%以上，可見(jiàn)融雪劑的融雪效果主要集中在前0.5 h。由圖2 可知，相對(duì)融冰能力排序如下：醋酸鈉>氯化鈉>氯化鈣；3種溶液在0.5 h、1 h、2h 相對(duì)融冰能力基本穩(wěn)定，從側(cè)面也反映出隨著時(shí)間的推移，融雪劑的融雪冰化能力變化基本一致。

3 車輛荷載模擬狀態(tài)下的融雪化冰試驗(yàn)

依據(jù)《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》（JTG D60—2015）4.3 條關(guān)于車輛荷載規(guī)定，選取后軸進(jìn)行模擬測(cè)試，單個(gè)后軸重力標(biāo)準(zhǔn)值為140 kN∕2=70 kN，著地寬度及長(zhǎng)度分別為0.6 m、0.2 m，計(jì)算得到標(biāo)準(zhǔn)壓強(qiáng)為583 MPa。考慮到車輛荷載的縱橫向折減，本研究選取300 MPa、500 MPa 進(jìn)行模擬試驗(yàn)。

試樣制備與大氣壓下的融雪化冰試驗(yàn)相同，不同的是在低溫恒溫箱安裝專門的壓力設(shè)備，將低溫恒溫箱中的氯化鈉、氯化鈣、醋酸鈉試驗(yàn)溶液取出，倒入盛有冰塊的燒杯，并放回-10 ℃±1 ℃的低溫恒溫箱后，分別加載300 MPa、500 MPa 的模擬壓強(qiáng)，使冰塊在此壓力下進(jìn)行融雪化冰，0.5 h后取出并傾倒液體，室溫下迅速稱重?zé)褪Ｓ啾鶋K質(zhì)量，各平行測(cè)定兩次，測(cè)定結(jié)果見(jiàn)表3，融冰量和相對(duì)融冰能力見(jiàn)表4和圖3、圖4。

圖3 不同壓強(qiáng)下融冰量

圖4 不同壓強(qiáng)下相對(duì)融冰能力

表3 相對(duì)融雪化冰能力試驗(yàn)結(jié)果單位：mL

表4 融冰量和相對(duì)融冰能力計(jì)算

由圖3 可知，隨著壓強(qiáng)的增大，氯化鈉、氯化鈣、醋酸鈉溶液融冰量均有明顯增加，尤其醋酸鈉效果最為明顯，基本呈現(xiàn)指數(shù)增加；氯化鈉、氯化鈣增加速度趨于平緩。由圖4 可知，隨著壓強(qiáng)的增大，相對(duì)融冰能力排序依然為：醋酸鈉>氯化鈉>氯化鈣；在300 MPa 時(shí)，3 種溶液的相對(duì)融冰能力比大氣壓強(qiáng)度下相對(duì)穩(wěn)定；在500 MPa 時(shí)，氯化鈣的相對(duì)融冰能力逐漸出現(xiàn)下降趨勢(shì)，而醋酸鈉的相對(duì)融冰能力仍出現(xiàn)增長(zhǎng)勢(shì)頭。該試驗(yàn)結(jié)果從側(cè)面也印證了當(dāng)壓強(qiáng)增大時(shí)，水的凝固點(diǎn)隨之降低，此時(shí)融化的水難以再結(jié)冰，更有利于融雪化冰［6］。

4 不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)條件下的融冰能力試驗(yàn)

《融雪劑》（GT∕T 23851—2017）中的試驗(yàn)溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)為18%，為了探究不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)融雪劑融雪化冰能力的影響，本研究同步制備質(zhì)量分?jǐn)?shù)為35%、50%的兩組試樣進(jìn)行平行試驗(yàn)。

分別將不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的氯化鈉、氯化鈣、醋酸鈉試驗(yàn)溶液倒入盛有冰塊的燒杯，放入-10 ℃±1 ℃的低溫恒溫箱，0.5 h 后取出并傾倒液體，室溫下迅速稱重?zé)褪Ｓ啾鶋K質(zhì)量，各平行測(cè)定兩次，測(cè)定結(jié)果見(jiàn)表5，融冰量和相對(duì)融冰能力見(jiàn)表6和圖5、圖6。

圖5 不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)下融冰量

圖6 不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)下相對(duì)融冰能力

表5 相對(duì)融雪化冰能力試驗(yàn)結(jié)果單位：mL

表6 融冰量和相對(duì)融冰能力計(jì)算

由圖5 可知，隨著溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增大，氯化鈉、氯化鈣、醋酸鈉溶液融冰量均有明顯增加，18%～35%階段增加量較大，基本呈現(xiàn)線性變化；35%～50%階段增加量趨向平緩。由圖6可知，三種溶液的相對(duì)融冰能力基本平穩(wěn)［7］。由此可推出融雪劑的融雪化冰能力并非隨著質(zhì)量分?jǐn)?shù)增大一直線性增大，達(dá)到一定質(zhì)量分?jǐn)?shù)后，增大效果不再明顯，同時(shí)考慮到隨著質(zhì)量分?jǐn)?shù)增大，氯鹽類融雪劑中氯離子對(duì)混凝土鹽蝕作用增強(qiáng)及過(guò)量使用不經(jīng)濟(jì)［8］，可將融雪劑的質(zhì)量分?jǐn)?shù)設(shè)定為某一范圍，建議質(zhì)量分?jǐn)?shù)范圍不超過(guò)25%～35%，經(jīng)濟(jì)與效果性相對(duì)最佳。

5 不同溫度條件下的融雪化冰試驗(yàn)

《融雪劑》（GT∕T 23851—2017）中規(guī)定的試驗(yàn)溫度為-10 ℃±1 ℃，而實(shí)際路面上融雪化冰的溫度隨著一天的溫度而動(dòng)態(tài)變化，因此在-10 ℃下較難反映出其他溫度條件下的融雪化冰能力，不具有完全代表性［5］。本研究在《融雪劑》（GT∕T 23851—2017）規(guī)范基礎(chǔ)上，分別選取-5 ℃±1 ℃、-15 ℃±1 ℃試驗(yàn)溫度條件，進(jìn)行平行試驗(yàn)。

試樣制備與大氣壓下的融雪化冰試驗(yàn)相同，不同的是在將低溫恒溫箱中的氯化鈉、氯化鈣、醋酸鈉試驗(yàn)溶液取出，倒入盛有冰塊的燒杯后，分別放入-5 ℃±1 ℃、-15 ℃±1 ℃的低溫恒溫箱，0.5 h 后取出并傾倒液體，室溫下迅速稱重?zé)褪Ｓ啾鶋K質(zhì)量，各平行測(cè)定兩次，測(cè)定結(jié)果見(jiàn)表7，融冰量和相對(duì)融冰能力見(jiàn)表8和圖7、圖8。

圖7 不同溫度下融冰量

圖8 不同溫度下相對(duì)融冰能力

表7 相對(duì)融雪化冰能力試驗(yàn)結(jié)果單位：mL

表8 融冰量和相對(duì)融冰能力計(jì)算

由圖7 可知，隨著溫度的升高，氯化鈉、氯化鈣、醋酸鈉溶液融冰量均有所增加，變化趨勢(shì)較一致。這是由于隨著融雪化冰的進(jìn)行，水變成鹽水后凝固點(diǎn)、醋酸鈉凝固點(diǎn)降低較明顯［9］，此時(shí)外部溫度越高，與溶液凝固點(diǎn)溫差越大越易融化，融雪化冰能力越強(qiáng)。由圖8可知，醋酸鈉、氯化鈣在-15 ℃時(shí)相對(duì)融冰能力相較-5 ℃、-10 ℃僅高出50%，這不是因?yàn)榇姿徕c、氯化鈣的真實(shí)相對(duì)融冰能力提高，而是由于氯化鈉在-15 ℃時(shí)融冰量降低。有試驗(yàn)表明，氯化鈉溶于水后冰點(diǎn)在-10 ℃，氯化鈣在-20 ℃左右，醋酸類可達(dá)-30 ℃左右，由此得出氯化鈉不適合作為-10 ℃以下溫度相對(duì)融雪性能試驗(yàn)的參比溶液［5］。

6 結(jié)論

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，可得出以下結(jié)論。

①在撒布融雪劑的前0.5 h，融雪速度最快，效果最佳，隨著時(shí)間的推移，融雪速度減緩。在橋梁路面上撒布融雪劑除雪時(shí)，應(yīng)至少提前車輛高峰期0.5 h進(jìn)行撒布。

②在車輛繁忙、重載車輛較多車道撒布融雪劑，壓強(qiáng)增大配合融雪劑效果可使路面冰雪更易融化，效果更好。

③選擇合理的融雪劑溶度，不僅能有效進(jìn)行除雪，還能夠減少過(guò)量氯鹽類融雪劑中氯離子對(duì)混凝土的鹽蝕作用，更加經(jīng)濟(jì)。

④溫度對(duì)融雪劑的影響至關(guān)重要，在較高的外部溫度下撒布融雪劑，效果更佳。也正是利用這一點(diǎn)，較多城市選擇在道路上輔助撒布炭渣、粗砂、樹(shù)枝渣等物質(zhì)來(lái)防滑，同時(shí)利用這些渣類物質(zhì)的深色吸收太陽(yáng)的熱量，以增加地面溫度來(lái)融雪［10］。