鹽類除冰劑：一種冬季道路安全解決方案

編譯 蔡立英

正值寒冬占據(jù)北半球之際，挪威科技大學(xué)科學(xué)家約翰·沃林（Johan Wahlin）和亞歷克斯·克萊因-佩斯特（Alex Klein-Paste）向我們闡釋了用鹽除冰從而保持冬季道路安全的原理。

冬季道路養(yǎng)護(hù)人員有三種策略可以創(chuàng)造安全的道路：防結(jié)冰（左）、防壓實(shí)（中）和除冰（右）

設(shè)想一下，周末，你在挪威的山上滑雪。狀況令人吃驚：整個(gè)星期都在下雪，當(dāng)你在周六到達(dá)山上時(shí)，陽(yáng)光普照，空氣中透著一股凜冽的寒意。但是，到周日下午，天氣暖和起來(lái)，現(xiàn)在，當(dāng)你開(kāi)車穿過(guò)黑壓壓的森林覆蓋的群山，天空下起雨來(lái)。白色積雪覆蓋的道路讓你開(kāi)車上山時(shí)很容易，而現(xiàn)在道路結(jié)冰，變得滑溜而危險(xiǎn)。

雖然你的車裝有鑲釘防滑輪胎，但是你仍需費(fèi)勁控制好你的車。錯(cuò)動(dòng)一步，你就可能剎車失控，滑下山坡，撞到樹(shù)上或是撞上另一輛車。你的心提到了嗓子眼，你的手因?yàn)榫o握方向盤而隱隱作痛，你睜大眼睛緊盯著前方。

然后，你得救了：你開(kāi)到了主干道上。滑如玻璃的林中道路融入黑乎乎、光禿禿的柏油路，你很快就會(huì)發(fā)現(xiàn)為什么這條路既沒(méi)有積雪也不結(jié)冰——因?yàn)橐惠v冬季道路養(yǎng)護(hù)車正讓人放心地從對(duì)面駛來(lái)，在道路上撒鹽。但是，當(dāng)我們?nèi)鳆}到結(jié)冰和積雪的路上時(shí)，究竟發(fā)生了什么呢？鹽是如何把這些危險(xiǎn)的公路變成了車輛可以安全行駛的路面的？

鹽：冬季道路安全衛(wèi)士

鹽或者叫氯化鈉（NaCl）是用來(lái)增加結(jié)冰路面抓力的最尋常物質(zhì)，在很多國(guó)家都是冬季道路養(yǎng)護(hù)作業(yè)的無(wú)價(jià)之寶。我們倆都生活在挪威，這里平均每年提供大約25萬(wàn)噸鹽用于冬季道路養(yǎng)護(hù)，而美國(guó)每年的使用量大約是1 700萬(wàn)噸，英國(guó)每年的使用量是200萬(wàn)噸。那些冬季氣溫在0℃上下波動(dòng)的國(guó)家和交通流量非常大的道路（每天超過(guò)1 500輛車），鹽作為除冰劑特別有效。

在挪威，政府的公路管理局并不親自做道路養(yǎng)護(hù)，而是按劃定區(qū)域分片雇傭承包商來(lái)做。公路管理局的工作人員密切關(guān)注天氣預(yù)報(bào)，這樣他們就能對(duì)非常天氣事件先發(fā)制人做出快速反應(yīng)。這一策略就產(chǎn)生了三種不同的道路撒鹽方法：防結(jié)冰法（anti-icing）、防壓實(shí)法（anti-compaction）和除冰法（deicing）。

防結(jié)冰法是一種先發(fā)制人的做法，第一時(shí)間撒鹽阻止道路結(jié)冰。例如，當(dāng)?shù)缆烦睗穸覛鉁仡A(yù)計(jì)將會(huì)降到0℃以下或是當(dāng)空氣中濕氣很重而道路寒冷導(dǎo)致結(jié)霜時(shí)，就可以運(yùn)用防結(jié)冰的策略。

而防壓實(shí)法指的是在下雪前或下雪期間向道路撒鹽。在這種方案中，撒鹽的目的不是為了把雪全部融化，而是為了防止積雪壓實(shí)成堅(jiān)硬的雪殼而難以掃除。承包商的目標(biāo)是趕在降雪太多之前，把鹽撒到路上，因?yàn)榧恿他}的雪黏著力較小，很容易被來(lái)往車輛和鏟雪車清除。

至于除冰法，則是用鹽除去已經(jīng)在路上形成并且牢牢黏著在路面上的冰。承包商試圖避免使用除冰策略，因?yàn)橛玫匠呗砸馕吨麄兊姆澜Y(jié)冰或防壓實(shí)行動(dòng)已經(jīng)失敗，危險(xiǎn)的狀況已經(jīng)形成。換言之，除冰策略是一種反應(yīng)性的策略，意圖對(duì)一種危險(xiǎn)的情形重拾掌控。

挪威，一輛冬季道路養(yǎng)護(hù)車正在撒鹽融化道路上的積雪

兩種冰晶：a含鹽，b不含鹽

除冰法的威力：制造混亂

道路上撒的鹽是如何發(fā)揮除冰作用的呢？簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)是鹽溶于水，增加了水的熵，因此降低了水的冰點(diǎn)。熵——通常比較松散的定義是指混亂程度，是度量物質(zhì)雜亂無(wú)序狀態(tài)的一個(gè)物理量。溶解在水中的鹽給溶液提供了比純凈的水更多可能的幾何構(gòu)型，因此，創(chuàng)造了一個(gè)更加無(wú)序的系統(tǒng)。既然宇宙萬(wàn)物趨向于熵更高的狀態(tài)，一個(gè)更混亂的相（也就是液態(tài)）相比于其他的相（也就是水蒸氣和冰）變得更有吸引力。因此，鹽把溶液相對(duì)穩(wěn)定成水而不是冰的狀態(tài)，意味著需要更低的氣溫才能讓液態(tài)水結(jié)冰。而且，我們?nèi)芙獾剿锏柠}越多，鹽水溶液的冰點(diǎn)就變得越低。對(duì)于大多數(shù)除冰劑來(lái)說(shuō)，鹽水的濃度和冰點(diǎn)之間的關(guān)系已經(jīng)通過(guò)實(shí)驗(yàn)確定下來(lái)了。

盡管這一點(diǎn)是鹽的除冰威力背后的關(guān)鍵作用機(jī)制，不過(guò)它并不能解釋一切。就拿防結(jié)冰策略來(lái)說(shuō)，其目的是阻止水結(jié)冰。這應(yīng)該很簡(jiǎn)單。推測(cè)起來(lái)，你只需使用足夠量的鹽，讓道路上的水的冰點(diǎn)變得比從天氣預(yù)報(bào)預(yù)計(jì)的最冷道路溫度更低就行。然而，結(jié)果是，為了防止路面結(jié)冰，承包商所需的鹽量是他們用來(lái)融化冰的鹽量的40%。導(dǎo)致這種差別的原因是鹽同時(shí)還改變了水結(jié)冰的方式。

我們?cè)趯W(xué)校都學(xué)過(guò)，當(dāng)液態(tài)水的溫度降低到冰點(diǎn)（0℃）時(shí)，會(huì)變成固態(tài)。這句話的大部分內(nèi)容（除去任何相變的內(nèi)在復(fù)雜性）是正確的——你把一盤水放到冰箱里，過(guò)一會(huì)兒，盤子里沒(méi)有液體剩下，只有固態(tài)的冰。這個(gè)道理非常簡(jiǎn)單。另一方面，鹽水在冰點(diǎn)時(shí)（0℃以下），并沒(méi)有完全變成固體，而是同時(shí)存在固體和液體，而且固體中不包含鹽。

這是因?yàn)楸唤邮茺}的離子進(jìn)入它的晶格——它對(duì)水分子可以放置在什么位置以及如何放置都有嚴(yán)格的幾何約束。冰的晶格形成了分層六邊形的結(jié)構(gòu)，一個(gè)外來(lái)的離子要進(jìn)入這個(gè)結(jié)構(gòu)則必須嵌合在六邊形里面或者在兩層之間。但是，鹽的離子（鈉離子和氯離子）個(gè)頭太大，做不到這一點(diǎn)。結(jié)果，結(jié)冰的過(guò)程只不過(guò)是把水分子從鹽水溶液中拿走，留下鹽不受影響地繼續(xù)留在液態(tài)水中。因此，剩余溶液中的鹽濃度變得更高，冰點(diǎn)降得更低，直至結(jié)冰過(guò)程停止——你最終得到的是一些冰和含鹽液體。如果氣溫進(jìn)一步下降，更多的冰會(huì)形成，但是一直都會(huì)有液體存在，直到氣溫下降到鹽水混合物的“共晶溫度”——溶液保持穩(wěn)定的最低的可能溫度。低于此溫度則鹽會(huì)結(jié)晶，剩下的水會(huì)結(jié)冰。對(duì)于氯化鈉來(lái)說(shuō)，上述情況會(huì)在零下21℃時(shí)發(fā)生。

增添鹽的除冰威力的是，在鹽水溶液中形成的冰由樹(shù)枝狀的晶體組成，這種晶體在淡水結(jié)成的冰中是看不到的。這些“樹(shù)枝狀針”并沒(méi)有從純凈的不含鹽的水中結(jié)成的冰那么堅(jiān)固，如果是在道路上形成的，會(huì)被來(lái)往車輛摧毀。只有當(dāng)超過(guò)60%的溶液都變成冰時(shí)，它才會(huì)足夠堅(jiān)硬以致成為道路交通的問(wèn)題。

有鹽捏不成雪球

當(dāng)我們把鹽撒到雪上，阻止雪壓實(shí)時(shí)，鹽是如何起作用的呢？核心原因仍是冰點(diǎn)降低，但這并不能解釋一切。正如前文所述，鹽之所以會(huì)融化雪，是因?yàn)辂}溶液的熵比冰更高——對(duì)于水分子來(lái)說(shuō)，待在溶液里比成為固態(tài)的晶體更有吸引力。但是，要融化所有降雪，將需要數(shù)量巨大的鹽，比實(shí)際使用的量多得多。

雪還是鹽？很多國(guó)家在冬天動(dòng)用數(shù)以噸計(jì)的白色晶體——鹽去除道路冰雪

取而代之的方法是，用鹽融化一點(diǎn)雪，所形成的鹽溶液改變了剩下的固體的力學(xué)特性。這種方法有點(diǎn)像你捏雪球時(shí)的情景。“濕的”雪——接近熔點(diǎn)（0℃）的雪，非常快地黏合在一起，可以捏成一個(gè)很棒的很堅(jiān)固的雪球，經(jīng)得起你在空中拋出去。這是通過(guò)一個(gè)叫作“燒結(jié)”的過(guò)程實(shí)現(xiàn)的，構(gòu)成雪的微小的冰晶就是通過(guò)這個(gè)過(guò)程黏結(jié)在一起。雪具有非常大的表面積——畢竟，一片平整的雪花有很多“手臂”伸出來(lái)，內(nèi)部很小而表面很大。不過(guò)，從熱力學(xué)的觀點(diǎn)來(lái)看，這種結(jié)構(gòu)不利于給物質(zhì)更高的表面能量。但是，因?yàn)楸浅＝咏淙埸c(diǎn)，它的分子非常易變。然后，這些分子會(huì)從能量不利的位置（雪花臂）移動(dòng)到晶體之間的接觸點(diǎn)上更有利的位置。雪晶體因此黏結(jié)在一起，或叫“燒結(jié)”，為雪提供了力量。

但是，鹽水與淡水有很大的不同。如果雪被鹽水弄濕，你就捏不出一個(gè)完美的形狀恰當(dāng)?shù)难┣颉w并不相互黏結(jié)在一起，雪的行為更像是非常小的珍珠的集合。人們并不完全知道其中的原因，不過(guò)科學(xué)家認(rèn)為溶解于水的鹽可能附著在冰表面的水分子上，阻止它們和其他冰晶中的其他水分子形成聯(lián)結(jié)。把這個(gè)原理應(yīng)用到冬季道路養(yǎng)護(hù)的防壓實(shí)策略中，結(jié)果是我們只需融化20%正在下或已下的雪，剩下的雪就能輕而易舉地清除。

基于上述結(jié)論，我們?cè)賮?lái)看看除冰策略——適用情形是道路上的積水已結(jié)冰。又一次，除冰法完全就是關(guān)于鹽融化冰的故事。但是，只有當(dāng)融水對(duì)溶液的稀釋作用達(dá)到新的平衡，即稀釋的鹽溶液的冰點(diǎn)變得與道路溫度相同時(shí)，鹽融化冰才會(huì)發(fā)生。

在冬季道路養(yǎng)護(hù)行業(yè)，我們使用“融化能力”來(lái)描述1克除冰劑能融化幾克冰，溫度越低，除冰劑的融化能力越低。但是，請(qǐng)記住，承包商進(jìn)行除冰作業(yè)時(shí)，道路已經(jīng)非常滑溜。因此，非常重要的一點(diǎn)是除冰劑不僅要融化很多冰，而且要快速融化，也就是說(shuō)，融化速度和融化能力一樣重要。尤其是在低溫下，還有比氯化鈉更有效的除冰劑，比如，氯化鎂或氯化鈣。的確，在世界上有些地方，比如美國(guó)，當(dāng)天氣變得格外寒冷時(shí)，會(huì)使用這些化合物作為除冰劑。

雙刃劍：使用量有講究

鹽作為除冰劑也會(huì)有負(fù)面影響。盡管它在冬天幫助我們清除冰雪，保障道路安全可控，但它也會(huì)腐蝕暴露在空氣中的金屬，損害車輛以及路邊設(shè)施，比如指示牌和路障。路上撒的鹽還會(huì)傷害附近的蔬菜并且污染淡水源。

因此，一條至關(guān)重要的原則是不使用過(guò)量的鹽，并且系統(tǒng)研究讓露天撒鹽量最小化。的確，在挪威，撒鹽是一件精打細(xì)算的事情，根據(jù)道路的重要性、用途和當(dāng)?shù)靥鞖鈦?lái)決定鹽的使用量。在1.3萬(wàn)公里長(zhǎng)的道路上（大約是挪威整個(gè)公路網(wǎng)長(zhǎng)度的1/7），撒鹽的目的是保持道路在整個(gè)冬季都完全沒(méi)有冰雪。這些是挪威最重要的道路，每天車流量在1 500～80 000輛車之間，因此會(huì)進(jìn)行日常的撒鹽和鏟雪。在更小的道路上，只有當(dāng)氣溫接近0℃而不是在更冷的時(shí)候，才會(huì)使用鹽——天氣溫和時(shí)，會(huì)保持車行道暢通；在天氣更冷的時(shí)候，會(huì)任由雪殼或冰殼形成。在挪威公路網(wǎng)的其他道路，養(yǎng)護(hù)目標(biāo)是整個(gè)冬天都維持道路上有雪殼或冰殼，只有在冬季的開(kāi)始和結(jié)束時(shí)使用鹽。這個(gè)策略需要鏟雪作業(yè)來(lái)保持路面平整，并且在雪殼或冰殼變得太滑溜時(shí)，撒上摩擦性顆粒，比如沙子。而在很多降雪多的國(guó)家，仍然使用粗放的撒鹽方式，即便是在天氣更溫和的情況下，所有道路在冬天都會(huì)撒鹽。

在特隆赫姆的挪威科技大學(xué)（NTNU），我們的研究團(tuán)隊(duì)正在努力研究要保持冬季道路安全，只需多么少量的鹽即可。為了這個(gè)研究目的，我們需要理解鹽的不同用途背后的基礎(chǔ)物理學(xué)。例如，我們?cè)噲D計(jì)算出要獲得足夠的防壓實(shí)效果，我們需要添加到雪中的最小鹽量，我們還要研究鹽對(duì)“白霜”形成的影響（白霜是由濕氣沉積到道路表面形成）。不過(guò)，知道鹽如何發(fā)揮作用只不過(guò)是找到了拼圖的一塊。鹽這種礦物質(zhì)只有撒在道路上而不是路邊溝里，才會(huì)有幫助。不幸的是，車流很容易就會(huì)把鹽吹到或?yàn)R到路邊，所以“冬季道路養(yǎng)護(hù)”領(lǐng)域的另一個(gè)研究課題是研究使鹽或其他除冰劑在道路上保留更久的方法，并且改進(jìn)模型，更好地預(yù)測(cè)它們投入使用后的作用期限。

這項(xiàng)研究工作的全部目的是優(yōu)化撒鹽作業(yè)方式，這樣承包商就可以按所需使用鹽或其他除冰劑，同時(shí)又盡可能小地做出安全性方面的妥協(xié)。如果我們能達(dá)到撒鹽的佳境，就意味著能減少滑溜結(jié)冰的道路上那些不可靠的旅程，可以讓您的周末滑雪之旅結(jié)束得更輕松。