融雪劑非均勻撒布技術的研究

霍尚斌

（山西省交通科學研究院，山西 太原 030006）

1 問題的提出

冬季除雪是道路養護工程的重要任務之一。為了盡快并較為徹底地實現落雪清除，撒布融雪劑以降低雪的冰點使其由固態變為液態水流出主道是目前國內外常用的除雪方式之一。鑒于融雪劑的使用對道路周圍環境影響的弊端，盡量減少融雪劑的使用量是減輕這種影響的有效途徑，但融雪劑的減少又會延長雪融時間。

目前國內外采用的融雪劑均勻撒布工藝，即均勻撒布方法，其追求的最好效果是在每個單位面積上撒布的融雪劑數量為一常數。如本文前述，這個數量不可能很大，即數量有限。在此撒布密度下，雪融時間一般為2～3 h。如因環境溫度過低、雪的厚度和密度更大（雪的狀態改變，如壓實雪等）時雪融時間會更長。顯然這個速度是比較緩慢的，要盡可能提高雪融速度，只能從其他途徑尋求辦法。山西省交通科學研究院立項研究的《脈沖式融雪劑撒布車研發》項目是尋求提高融雪速度的成功嘗試。

2 研究內容

本項目提出的以脈沖撒布為主要技術特征的融雪劑撒布工藝和專用機械撒布裝置將變融雪劑均勻撒布為脈沖型非均勻撒布。這種新工藝實現落雪快速液化的技術前提主要在于下述諸點：

a）雪的消融速度與融雪劑在雪中所含數量成正比。因此本項目的應用將使融雪劑的撒布在落雪表面形成不均勻的脈沖形撒布面，即在道路橫斷面上的路拱上段形成脈沖形的多道較濃（融雪劑含量較周圍較大和集中）的融雪劑撒布線，從而形成相對快速的雪融線，并以其雪融水對路拱下段的落雪形成沖刷的趨勢，以此完成道路的快速除雪。

b）在自然狀態下，撒布融雪劑融雪速度肯定較具有一定濃度的液化鹽水沖擊自然雪慢。

c）高等級道路的路面由內側向外側的延伸呈2°～5°坡角，這為雪消融液化后向道路外側的流動沖融余雪提供了自然趨勢和必要條件。

3 試驗

3.1 試驗目的

課題組以上述的技術前提為基礎，用實地融雪工程試驗，找到和確認較佳的脈沖撒布方式及其對應的融雪劑撒布量，其結論將作為施工工藝及專用設備的參數選擇和結構設計的主要依據和參考。

3.2 試驗手段和基本程序

下述試驗應與高速公路目前常用的機械化融雪劑除雪工程同期進行。

a）在高速公路的典型路段，以人工手段仿真模擬除雪劑在雪地上的脈沖式不均勻撒布。

b）在整個融、除雪過程中連續不間斷觀察和記錄其除雪效應。

c）通過對第一手數據的深入分析，優化和確認較佳的脈沖撒布方式及其對應的除雪劑撒布量。

d）對機械化融雪劑除雪工程（傳統工藝）的除雪效應進行不間斷觀察和記錄，以形成與脈沖式不均勻撒布工藝（新工藝）進行比對的第一手數據。

3.3 試驗條件

3.3.1 試驗地點

融雪試驗地點為山西汾離高速吳城服務區匝道。該路段車流量大、氣溫寒冷，能夠代表高速公路除雪工程的完整工況。

3.3.2 試驗溫度

氣溫是影響融雪最重要的因素，根據氣溫選擇合理的融雪劑濃度和撒布的方式，可以使融雪劑發揮最大的作用。

有研究人員認為，當融雪時的溫度在-10℃以上時，融雪劑的作用非常明顯。當融雪時的溫度在-10℃～-20℃之間時，可考慮集中布鹽進行融雪，即在一條車道上加大鹽的用量。非均勻撒布，提高部分區域的鹽分含量，以點帶面，融化開后，再向周邊滲化，先使一條車道達到通行效果，符合“先通后凈”的要求。當氣溫在-20℃以下時，使用融雪劑效果極差。

我們選取的整個試驗過程中溫度在-10℃～-18℃以上。

3.3.3 雪狀態

雪的狀態通常分為松散雪、初壓雪、壓實雪3種主要類型。如若再細化，亦可將雪的狀態分為路面結霜、路面結冰、凍雨和壓實積雪。根據雪的狀態可以選用不同的除雪方式和確定不同的融雪劑撒布量。

課題組選取的試驗路段積雪狀態為初壓雪，且雪厚度小于等于5 mm。

3.3.4 融雪劑選擇

融雪劑的種類很多，大多數為氯鹽型、非氯鹽型和混合型。融雪劑的融雪原理，都是通過撒布融雪劑降低雪水的冰點，實現融雪的目的。如果使用某類型的融雪劑時，氣溫低于該融雪劑的冰點，那么撒布量再大，也不會有融雪的作用。融雪劑的選擇受價格、環境保護、地域等的影響，所以在選擇融雪劑時應充分考慮各種相關的因素。

雖然氯鹽類融雪劑的使用會破壞環境，但由于價格便宜，且融雪效果明顯，因此在國內外道路融雪中得到了廣泛應用。據統計美國每年用于冬季道路養護的融雪劑超過1 000萬t，其中約80%為氯鹽類融雪劑[1]。

表1是在高速公路融雪作業中常用的幾類融雪劑的冰點和適合作業溫度的參數。從表1可知，不同類型的融雪劑其參數各不相同[2]。

表1 融雪劑最低冰點和適合作業溫度 ℃

本項目中課題組選用的融雪劑類型為氯鹽型融雪劑，主要成分為氯化鈉。

3.3.5 確定撒布基本量（即單位面積的融雪劑用量）

在保證融雪效果和融雪效率的前提下，合理地控制融雪劑的用量，在一定程度上可以減低融雪劑對環境的危害。同時，在融雪作業時，撒布量不足或過大，或者會造成融雪效果不理想，或者造成浪費。這也要求具體作業時必須根據當時氣溫與積雪情況等因素科學確定融雪劑用量。

表2為國外在不同的路面條件下融雪劑使用用量標準[3]。

表2 國外不同路面條件下融雪劑用量標準

我國尚未制定融雪劑用量標準，很多省市根據實際情況確定了適合本地區的使用量。

例如，北京在使用融雪劑時相對比較嚴格，融雪劑的使用量依據雪情大小、溫度高低等因素嚴格控制。依照規定，雪情為藍色預警級別，只許在機動車道的坡道、橋區等處視雪情撒布少量融雪劑，每平方米不超20 g。當溫度極低，可先預撒融雪劑，劑量嚴格控制。

確定融雪劑撒布量是融雪研究的難題，相互影響的因素較多。本次試驗時，先通過理論計算，再分析融雪時的氣候條件、雪的狀態以及長期以來該養護工區作業數據后，最后綜合所有的試驗因素來確定融雪劑的試驗用量。

3.3.5.1 融雪劑濃度-冰點曲線圖。

圖1 氯化鈉濃度-冰點曲線。

3.3.5.2 計算單位面積融雪劑用量

式中：Q為單位面積融雪劑用量，g/m2；M為每平方米積雪的質量，g；C為作業溫度下對應濃度，根據氣溫從濃度-冰點曲線圖中查出對應的濃度。

根據計算，并結合溫度、雪狀態和經驗值確定本次試驗融雪劑撒布基準量為40 g/m2。

3.3.6 撒布方式

3.3.6.1 均勻撒布（圖2）

均勻撒布方式為通過使用融雪劑撒布車在試驗區域內按照撒布的標準量進行融雪劑的均勻撒布。

其中，A=3 m，B=6 m，均勻撒布的面積 S=18 m2，融雪劑撒布量濃度等于前文確定的實驗撒布量濃度40 g/m2。

圖2 均勻撒布

3.3.6.2 非均勻撒布

a）點式撒布（圖3） 通過人工手段在試驗區域內進行點式脈沖非均勻撒布。其中，A=3 m，B=6 m，試驗區域的面積S=18 m2，但實際有效撒布面積測算后為3.2 m2，實際在測算有效撒布面積內融雪劑的撒布量已經達到約225 g/m2。

圖3 點式撒布

b）線性撒布（圖4） 通過人工手段在試驗區域內進行線性撒布。其中，A=3 m，B=6 m，試驗區域的面積S=18 m2，但實際有效撒布面積測算后為6.5 m2，實際在測算有效撒布面積內融雪劑的撒布量已經達到約110 g/m2。

圖4 線性撒布

c）混合線性撒布（圖5） 通過人工手段在試驗區域內進行混合線性撒布。其中，A=3 m，B=6 m，實驗區域的面積S=18 m2，但實際有效撒布面積測算后為7.1 m2，實際在測算有效撒布面積內融雪劑的撒布量已經達到約101 g/m2。

圖5 混合線性撒布

表3中歸納了上述4種撒布方式下，有效數據對比表。

表3 4種撒布方式數據對比表

3.4 試驗步驟

本試驗完全依照高速公路目前常用融雪劑除雪工程之客觀環境（如環境溫度、除雪厚度、積雪狀態和道路狀況等）進行，力求環境和數據的客觀性及實際工程與模擬試驗的可比性。

a）融雪試驗開始，根據上述確定的4種撒布方式，按照試驗條件中確定的撒布面積和撒布量以機械和人工方式進行撒布。

b）本次試驗應在相同地點、不同時間和不同環境溫度下進行2～3次，以觀察其融雪效應在不同情況下的基本規律。

（a）觀察和記錄的主要數據，試驗路段樁號、路拱坡度、環境溫度、撒布形式、試驗面積（A0）、融雪劑在A0上的撒布量、開始撒布時間、雪融化起始時間、雪融結束時間等。

（b）依照第一手數據進行分析，確認融雪效應的基本規律。

本次試驗在實體工程中進行，同時與傳統機械式均勻撒布同步完成。在試驗過程中注意觀察、記錄和總結，最終找到其融雪效應之規律，這些規律及其對應的物理量應具有客觀可比性和工程重復可現性。

3.5 試驗結論和評價

通過本次試驗記錄的數據，繪制了分析4種撒布形式在不同時間段內融雪能力的比較（圖6），直觀體現出各種方式的融雪效率。

圖6 不同撒布方式下融雪效果對比

從圖6可以看出：

a）4種撒布方式融雪時隨時間的變化，融開面積所占的試驗面積的比例增多，說明4種撒布方式均為有效撒布方式。

b）4種撒布方式比較，非均勻撒布的融雪效率均高于均勻撒布，尤其在60 min左右，均勻和非均勻撒布效果區別最明顯。

c）3種不同的非均勻撒布比較，50 min左右3種方式的融雪效率相當；之前，點式撒布融雪效率最好，之后，混合線性撒布的融雪效率最好。

4 結語

通過試驗的結論可以看出，非均勻撒布方式的融雪效果優于均勻撒布，課題組將根據試驗的結論研發以脈沖撒布為主要技術特征的融雪劑撒布車，主要以線性撒布方式和混合線性撒布方式作為撒布工藝，并通過同步撒布量控制方法，解決常見的融雪劑撒布車難以控制撒布量的不足，精確控制融雪劑的撒布量，在可比前提下較目前常用的融雪劑均勻撒布工藝提高雪融速度10%～30%，從而有效縮短道路因落雪出現的封路現象，使道路盡快實現開放通行。同時，探討盡可能降低融雪劑撒布量的方法，降低因融雪劑撒布對道路周邊環境造成的有害影響。