常用融雪劑融雪效果影響因素分析及使用標準研究

屈 磊 單晴晴 廖勁輝 王智豪

（1.新疆生產建設兵團公路科學技術研究有限公司，新疆 烏魯木齊 830000；2.新疆農業大學交通與物流工程學院，新疆 烏魯木齊 830000）

0 引言

冬季降到路面的雪在行車荷載作用下逐漸融化，在負溫度作用下極易形成薄冰，使路面抗滑性能急劇下降。研究表明，15%左右的交通事故與道路冰雪有關，結冰路面的交通事故率最高[1-2]。融雪劑是一把雙刃劍，它在便捷、高效除雪的同時，隱患也隨之埋下。融雪劑的大量使用，尤其是氯鹽類融雪劑的過量使用，將給交通基礎設施和路域環境帶來損害。

諸多學者在研究融雪劑的應用中，發現融雪劑的過量使用會對水泥和瀝青路面、基礎設施、金屬構件、路域環境、農作物等帶來負面影響。但我國行業標準并未對融雪劑的用量進行合理的規定[3-4]，在地方性規范中對融雪劑使用量上限進行了規定，但缺乏科學的依據。筆者以現有研究為基礎，分析市場上常用融雪劑融雪效果影響因素，確定融雪劑的使用標準，以期降低交通事故率和減少交通事故損失，保障人民群眾的正常生產和生活，為相關部門提供參考。

1 影響融雪劑融雪效果的因素

研究表明融雪劑自身性能和環境因素對融雪劑融冰雪效果影響較大。因此，從融雪劑自身和環境兩方面考慮，選擇融雪劑類型、融雪劑摻量、溫度、路面類型、冰層厚度、融雪劑顆粒大小、摻加緩蝕劑作為影響因素展開相關研究，具體情況見表1。

表1 影響因素及其研究對象與范圍

2 融雪劑融雪效果影響因素的具體表現

2.1 溫度對融雪劑作用過程的影響

本研究選擇了5 種溫度(-5℃、-10℃、-15℃、-20℃、-25℃)作為融雪環境溫度開展試驗，對不同溫度下路表冰層融化過程進行探究，取一定時間內融雪劑的融冰重量作為評價指標。整理數據得到不同溫度條件下，不同融雪劑的融冰重量隨時間的變化數據并繪制成圖，如圖1所示。

圖1 4種融雪劑融冰質量隨時間變化

圖1 中不同溫度條件下4 種融雪劑的融冰質量表明，在代表5 個不同環境溫度的曲線中，代表-5℃的曲線處于最高位置，向下依次為-10℃、-15℃、-20℃和-25℃。隨著溫度的升高，融雪劑的融冰速率均有所提高。如在-25℃下，氯化鎂的融冰速率為6.37g/h，在-5℃下氯化鎂融冰速率提升至9.37g/h，提升幅度為47.1%。氯化鈉、氯化鈣和醋酸鉀的-5℃下融冰速率對-25℃的融冰速率提升幅度分別為462.4%、46.4%和58.1%。因此可以得出結論，融雪劑的融雪能力隨著環境溫度的升高而升高，隨著溫度的降低而降低。

另一方面，如圖1 所示，不同融雪劑對溫度的敏感性也有所不同。氯化鈉在-5℃的融冰質量曲線與在-25℃下的融冰質量曲線之間的高度相差很大，但醋酸鉀各溫度所代表的曲線高度相差不大。在-5℃時，氯化鈉與氯化鎂的1h 融冰質量均在9g 以上，但在-25℃時，氯化鈉1h 融冰質量僅為1.73g，而氯化鎂1h 融冰質量為6.37g。因此可以得出結論：不同融雪劑融雪能力對溫度敏感性不同，氯化鈉對溫度敏感性較高，其余3種融雪劑對溫度敏感性不高。

2.2 融雪劑類型對融化過程的影響

本研究選擇了氯化鈉、氯化鈣、氯化鎂、醋酸鉀4種不同的融雪劑，對不同種融雪劑作用下路表冰層的融化過程進行探究。試驗取融雪劑的融冰速率作為評價指標，單位為g/h。研究取融雪劑2g均勻撒布在冰塊表面，分析不同融雪劑作用下融冰質量的差異，將得到的結果匯總得到表2；并根據表2 數據繪制出4 種融雪劑融雪速率隨溫度變化的圖表，如圖2所示。

圖2 不同融雪劑融雪融冰質量曲線

表2 不同融雪劑融冰質量

從圖2 融冰速率隨溫度的變化規律表明，整體上看，在代表4 種融雪劑的曲線中，氯化鈣代表的曲線高度最高，其次為氯化鎂，再次為醋酸鉀，氯化鈉所代表的曲線高度最低。在溫度為-5℃時，4種融雪劑均具有較高的融冰速率；但在其他溫度條件下，如-20℃時，4種融雪劑融冰速率排行為氯化鈣>氯化鎂>醋酸鉀>氯化鈉，融冰速率分別為7.07g/h、6.70g/h、6.20g/h和4.53g/h。因此可以得出結論：融雪劑種類不同，融冰速率則不同。整體來看，氯化鈣作用下的融冰速率最快，其次為氯化鎂，再次為醋酸鉀，最后為氯化鈉。

另一方面，從圖2 中可以看出，不同融雪劑融冰速率對溫度敏感性也有所不同。在4 條曲線中，氯化鈉代表的曲線的高度變化最大，其余3 條曲線高度變化不大。取-5℃下融冰速率對比-25℃下融冰速率的提升幅度，發現氯化鈉提升幅度高達462.4%，氯化鈣、氯化鎂和醋酸鉀的提升幅度分別為46.4%、47.1%和58.1%。因此可以得出結論：4種融雪劑中，氯化鈉融雪能力對溫度敏感性最大，其次為醋酸鉀，再次為氯化鎂，氯化鈣融雪能力對溫度敏感性最小。

2.3 用量對融雪劑作用過程的影響

對不同融雪劑質量下路表冰層融化過程進行探究，試驗取融雪劑融冰速率作為評價指標，單位g/20min。分別取0.8g、1.2g、1.6g 與1g、1.5g、2g 融雪劑均勻撒布在相同厚度的冰塊表面，分析不同融雪劑質量下融冰速率的差異。為保證試驗結果的可靠性，設平行試驗5 組。整理數據得到不同質量融雪劑的融冰速率，統計結果于表3；根據表3 的數據匯總，繪制出融雪劑融冰速率隨融雪劑質量的變化曲線，如圖3所示。

圖3 融雪速率隨融雪劑質量變化曲線

表3 不同質量融雪劑融冰速率

從表3和圖3中可以看出，融雪劑的融冰速率隨融雪劑質量的增加而加快。通過函數擬合，發現20min的融雪劑融冰速率與融雪劑質量呈正線性相關。因此可以得出結論：隨著融雪劑用量的增多，融雪劑融冰速率加快，并且固體融雪階段的融冰速率與融雪劑質量成正比。

2.4 冰層厚度對融化過程影響分析

選擇了0.5cm 和1cm 兩種不同厚度的冰層，對融雪劑在不同冰層厚度下冰層的融化過程進行探究。試驗取融雪劑的融冰速率作為評價指標，單位為g/0.5h。研究取1g 氯化鎂融雪劑均勻撒布在冰塊表面，分析不同冰層厚度下融冰速率的差異。匯總數據見表4。

表4 不同冰層厚度下融雪速率

從表4 中的融雪劑融冰速率可以看出，在冰層厚度不同的情況下，融雪劑的融冰速率之間差別不大。在冰層厚度為0.5cm 時，氯化鎂的平均融冰速率為6.04g/0.5h，而在冰層厚度為1cm 時，氯化鎂的平均融冰速率為6.02g/0.5h，二者之間僅相差0.3%。因此可以得出結論：冰層厚度對融雪劑融冰雪過程無影響。

2.5 路面類型對融化過程的影響

本研究選擇了AC-20 瀝青混凝土和C30 水泥混凝土來模擬瀝青路面和水泥路面的環境，對不同路面類型下路表冰層的融化過程進行探究。試驗取融雪劑一定時間內的融冰質量作為評價指標，單位為g。研究取融雪劑1g 均勻撒布在AC-20 試件和C30 試件表面，設每20min 為一試驗階段，在上面放置冰塊，同時設置對照組，分析不同路面種類上融雪劑融冰質量隨時間的變化，匯總得到表5。根據表5 數據繪制出3 種路面上融雪劑融雪速率隨時間變化的圖表，如圖4所示。

圖4 路面類型對融冰質量影響

表5 路面類型對融雪能力影響

從圖4 中可以看出，在3 個時間段內，作用在水泥路面與瀝青路面上的融雪劑融冰質量，與對照組融雪劑融冰質量相當。在1h 的時間內，水泥路面上融雪劑總融冰質量為2.95g，瀝青路面和對照組總融冰質量為2.90g，二者僅相差1.7%。因此可以得出結論：路面類型對融雪劑融冰速率沒有影響。

2.6 融雪劑顆粒大小對融化過程的影響

本研究選擇了片狀氯化鈣和粒狀氯化鈣兩種不同顆粒大小的融雪劑，對不同顆粒大小的融雪劑作用下路表冰層的融化過程進行探究。如圖5 所示，粒狀氯化鈣外觀呈小圓球狀，直徑較小，分布于1mm 至5mm之間；片狀氯化鈣外觀呈不規則的片狀，大小不一，整體尺寸較大，長邊分布于5~8mm之間。

圖5 不同顆粒的氯化鈣

試驗取融雪劑一定時間內的融冰質量作為評價指標，單位為g。研究取融雪劑1g 均勻撒布在冰塊表面，設每20min 為一試驗階段，分析不同顆粒大小融雪劑融冰速率隨時間的變化。匯總得到表6；根據表6 數據繪制出兩種顆粒大小融雪劑平均融冰質量隨時間變化的圖表，如圖6所示。

圖6 不同顆粒大小融雪劑融冰能力

表6 融雪劑顆粒對融雪能力影響

從圖6 中可以看出，粒狀氯化鈣的曲線位于片狀氯化鈣的曲線上方。對比片狀氯化鈣，粒狀氯化鈣20min、40min、60min 的融冰質量分別比片狀氯化鈣高11.3%、12.4%、11.9%，這說明顆粒較小的氯化鈣比顆粒較大的氯化鈣融雪效果更好。因此可以得出結論：融雪劑顆粒大小會對融雪劑融冰雪效果產生影響，融雪劑顆粒越小，融雪效果越好。

2.7 摻加緩蝕劑對融化過程影響分析

本研究選擇了兩種不同配比的融雪劑，對不同路面類型下路表冰層的融化過程進行探究。試驗取融雪劑一定時間內的融冰質量作為評價指標，單位為g。研究取融雪劑1g均勻撒布在冰塊試件1表面，設每20min為一試驗階段，分析不同質量配比的融雪劑融冰質量隨時間的變化。匯總試驗數據如表7所示。

表7 摻加緩蝕劑對融雪能力影響

從表7 中可以看出，由于所摻加的緩蝕劑并沒有融雪能力，摻加20%緩蝕劑的復配融雪劑融雪能力低于不摻加緩蝕劑的融雪劑。以1h 時間來看，摻加20%緩蝕劑的氯化鈉對比單一氯化鈉融雪質量降低20%，摻加20%緩蝕劑的氯化鎂對比單一氯化鎂融冰質量降低20.4%，降低幅度與摻加緩蝕劑的量基本一致。因此可以得出結論：摻加緩蝕劑會降低融雪劑的融雪效果，降低幅度與摻加比例保持一致。在考慮環保的前提下，為保證融雪劑的融雪能力，復配融雪劑中摻加緩蝕劑的量應適當，不宜過高。

3 基于不同影響因素的融雪劑使用標準分析

融雪劑的大量使用，尤其是氯鹽類融雪劑的過量使用，會對交通基礎設施和路域環境產生損害。在前文研究的基礎上，提取影響融雪劑融冰雪過程的主導因素，基于主導因素繪制融雪劑融雪效果諾謨圖，以撒布量為指標，提出融雪劑選用標準。

3.1 主導因素分析

前文分析的7 個影響因素中，路面類型、冰層厚度對融雪劑融冰雪過程無影響；摻加緩蝕劑所帶來的融雪能力的降低也可歸結為融雪劑質量減少所帶來的影響。其余4 種影響因素中，融雪劑質量與融雪劑融冰速率成正比；溫度對融雪劑融冰速率影響最高達400%以上；融雪劑類型對融雪劑融冰速率最高影響達300%以上；融雪劑顆粒大小對融雪劑融冰速率影響在10%左右。因此通過數理分析法可以得出，對4 種融雪劑融冰雪過程產生影響的主導因素為融雪劑用量和溫度。基于這兩個主導因素將進行進一步的研究，從而繪制不同種類融雪劑的融雪效果諾謨圖。

3.2 融雪劑融雪效果諾謨圖的繪制

本文采用諾謨圖做出4 種融雪劑融冰雪能力與溫度、融雪劑質量之間的關系圖，以便在日常生活中對應不同的降雪量或積雪厚度選取相應的融雪劑撒布量，達到優化的效果。

基于前文，做出了氯化鈉、氯化鈣、氯化鎂、醋酸鉀4 種融雪劑以平方米為單位的固體融雪階段融雪能力諾謨圖，如圖7 所示。其中，由于氯化鈉溶液冰點一般高于-20℃，且在試驗數據中氯化鈉在-20℃和-25℃時融雪能力下降很多，融雪能力很弱，因此只在溫度在-15℃之上時考慮使用氯化鈉做融雪劑。

圖7 四種融雪劑融雪能力諾謨圖

諾謨圖的繪制過程為：首先根據前文的試驗數據與融雪劑質量與融冰速率的線性關系，確定融雪劑在5 種溫度下，10g、20g、60g 和100g 用量下的融冰質量。然后，先確定融雪劑質量，向正下方做一條垂線，與5種溫度代表的斜線相交；過交點做出橫向平行線，該線即代表了特定的溫度和融雪劑質量。再根據上文數據確定這一溫度和融雪劑質量下的融冰質量，在下方坐標軸找到該值；然后向正上方做一條垂線，與代表溫度和融雪劑質量的橫線相交，即可確定一個代表融雪劑類型的點。做出代表融雪劑類型的16 個點后，將其連接，適當調整，得到代表一種融雪劑融雪能力的諾謨圖。

諾謨圖的應用方式為：首先找到實際情況所需要的融冰雪質量，向上方做一條垂線，與融雪劑曲線相交；過交點做橫向的平行線，與所對應的溫度相交；過交點再向上做一條垂線，即可確定所需的融雪劑用量。

3.3 融雪劑選用及撒布量確定方法

融雪劑的實際應用過程中，和實際降雪的降雪量聯系緊密。降雪量是從天空中降落到地面上的固態水，未經蒸發、滲透、流失，融化后在水平面上積聚的厚度以毫米為單位。我國根據24h 降雪量的大小將雪量等級分為數檔，本文選取部分雪量等級見表8。

表8 部分雪量等級表

經計算，24h 降雪量為2.4mm 的小雪，每小時降于1m2的路面的雪量為100g。將融雪劑融冰雪質量換算為降雪量，以1h 為單位，可以得到融雪劑類型與降雪量的對應關系圖，如圖8所示。

圖8 融雪劑類型與降雪量關系圖

在融雪劑融雪效果諾謨圖中，采用的融雪能力為融雪劑固體階段的融冰質量，即1h 中前20min 的融雪能力，不能完整替代整個融雪過程。因此，結合前文中的試驗數據，將不同種類融雪劑20min 融冰質量和1h融冰質量進行比較。經計算，同種融雪劑20min 融冰質量和1h 融冰質量比值較為接近，上下浮動不超過10%。因此取其比值的均值作為折減系數，即在圖8中確定的融雪劑質量乘以對應的折減系數，即為實際所需的融雪劑撒布量。4 種融雪劑的折減系數見表9 所示。實際撒布量上限應以規范和地方性文件為標準。

表9 不同融雪劑實際應用折減系數

分析試驗數據發現，溫度越高，20min融冰質量占比越小，這說明鹽溶液融雪階段融雪能力較強。因此在實際應用過程中，若是溫度相對較高，可以適當減少融雪劑用量，即減小折減系數；反之，溫度相對較低時也可適當增大折減系數，減小和增大幅度應在0.05之內。除了融雪能力的考量，經濟性也是實際應用中的一個重要因素。查閱相關網站后，得到了本試驗采用的4 種融雪劑的價格，見表9所示。

根據圖8中4種融雪劑曲線可以看出，從融雪能力上看，效果最好的是氯化鈣，其次是氯化鎂、醋酸鉀，氯化鈉效果較差。并且氯化鈉在-15℃以下時融雪能力下降嚴重，在應對低溫度的降雪時也不宜采用氯化鈉做融雪劑。因此可以得出結論：應用效果排行為氯化鈣>氯化鎂>醋酸鉀>氯化鈉。

從經濟性上看，氯化鈉作為應用最為廣泛的融雪劑，其價格最為低廉；氯化鎂、氯化鈣價格較為接近，而醋酸鉀價格十分昂貴。因此，在成本允許的情況下，優先選擇融雪能力好的氯化鈣和氯化鎂。在機場等要求較高的路面上可以使用醋酸鉀。

從環保性上看，學者對幾種常見融雪劑對路面的影響進行了探究，發現對水泥路面的負面影響排行為氯化鈉>氯化鈣>氯化鎂；對瀝青混凝土路面穩定性的影響程度排行為醋酸鉀>氯化鈣>氯化鈉；對環境影響最小的為醋酸系融雪劑。同時，可以在融雪劑中復配適宜比例的緩蝕劑，防止融雪劑對路面、金屬構件等的腐蝕。撒布融雪劑前可以通過研磨將融雪劑顆粒的尺寸減小，也可適當降低融雪劑的用量。

因此綜合以上因素的考量，在路域應用中，最優應用為適當摻加緩蝕劑的復配小顆粒氯化鎂融雪劑。當需要較高融雪能力時，可采用氯化鈣融雪劑；當融雪經費極為有限時，可采用氯化鈉融雪劑。

4 結束語

通過研究得出以下結論：融雪劑的融雪能力隨著環境溫度的升高而升高，隨著溫度的降低而降低；隨著融雪劑用量的增多，融雪劑融冰速率加快，并且固體融雪階段的融冰速率與融雪劑質量成正比；冰層厚度對融雪劑融冰雪過程無影響。相同時間內，氯化鈣融冰深度最大，區域最廣，融雪效果好；氯化鎂次之；氯化鈉與醋酸鉀融雪效果相對較差。在路域應用中，最優應用為適當摻加緩蝕劑的復配小顆粒氯化鎂融雪劑；當需要較高融雪能力時，可采用氯化鈣融雪劑；當融雪經費極為有限時，可采用氯化鈉融雪劑。