新型融雪剂研究及工程应用

王文峰，吴冬生，吴春颖，宗 海，朱浩然

（1.苏交科集团股份有限公司，江苏 南京 211112；2.南京长江第四大桥有限责任公司，江苏 南京 210000）

新型融雪剂研究及工程应用

王文峰1，吴冬生1，吴春颖1，宗 海2，朱浩然1

（1.苏交科集团股份有限公司，江苏 南京 211112；2.南京长江第四大桥有限责任公司，江苏 南京 210000）

以碳钢腐蚀率为控制指标，对比了以NaCl为融雪剂主剂，葡萄糖酸钠（C6H11NaO7）、ZnSO4、Na2SiO3和NaH2PO4分别与硫脲复配作缓蚀剂的4种融雪剂，制备了YN-1融雪剂。通过室内融雪化冰试验、碳钢腐蚀率试验、溶解速度试验，并在匝道和钢桥面进行工程撒布应用，结果表明YN-1新型融雪剂具有金属腐蚀率低，融雪除冰性能好，长效性优越等特点。

道路工程；融雪剂；腐蚀率；长效性

1 概述

尽管非氯盐型融雪剂在迅速发展中，但由于成本等经济因素的制约，无论是在发达国家还是发展中国家，非氯盐型融雪剂在短时期内都不可能大量使用。针对融雪剂带来的问题，国内外调研发现，养护部门在使用融雪剂过程中，对氯盐融雪剂的使用仍然面临着两难的选择［1-4］。一方面氯盐融雪剂在使用后对环境有侵蚀影响，一方面又缺乏行之有效且经济可行的融雪办法。无论是在市政领域还是高速公路的养护，从实用角度考虑，以氯盐为主要成分的融雪剂仍然是冬季养护部门不可或缺的产品［5-8］。因此，本文从氯盐融雪剂自身化学性质入手，开发出对环境影响小、腐蚀率低的新型融雪剂，同时针对使用方法和策略方面开展研究。

本文开发的融雪剂以传统氯盐为突破口，考虑到人们越来越重视的环保问题，在进行多元复配后极大降低了金属腐蚀性，同时还添加了含有N、S、P等大量作物营养元素的缓蚀添加剂。故其对基础设施、作物及环境损害较小。这一融雪剂的研制成功，将在一定程度上满足融雪剂市场的需求，丰富融雪剂品种。

2 新型融雪剂的开发

传统氯盐融雪剂往往在破坏钝化膜、形成腐蚀电池、去极化作用和导电作用几方面对结构物中金属造成腐蚀破坏［5］。为了降低融雪剂的金属腐蚀性，本文选择添加以下几种缓蚀剂，见表1。

碳钢腐蚀率是融雪剂一项重要指标，试验方法参照《水处理剂缓蚀性能的测定方法（GB/T 18175—2000）》。本文选择NaCl为融雪剂主剂，缓蚀剂用葡萄糖酸钠（C6H11NaO7）、ZnSO4、Na2SiO3和NaH2PO4分别与CH4N2S进行复配，掺量为1%。试验结果如图1（a）所示。?

表1　 缓蚀剂分类

由图1（a）可看出，添加复配的缓蚀剂后，碳钢腐蚀率明显降低，其中掺NaH2PO4的碳钢腐蚀率最低，试验检测结果约为0 mm/a，掺ZnSO4的碳钢腐蚀率为0.013 mm/a，效果良好。掺C6H11NaO7和Na2SiO3时，效果次之，考虑到这两类阳极缓蚀剂在用量不足时会加速金属腐蚀，故不选用。而NaH2PO4的价格较贵，从节约成本角度考虑，本文选择采用ZnSO4与CH4N2S复配作为缓蚀剂，并以掺量为0.25%、0.5%、0.75%、1%再次进行试验，研究缓蚀剂用量对碳钢腐蚀率的影响，试验结果见图1（b）。

由图1（b）可知，随缓蚀剂掺量的增加，碳钢腐蚀率逐渐降低。0.5%时腐蚀率仅为0.04 mm/a，满足企业标准（0.1 mm/a），再增加缓蚀剂用量，碳钢腐蚀率的降低速率减小，从最佳经济效益考虑，选择缓蚀剂为0.5%，自制YN-1融雪剂。

图1　 碳钢腐蚀情况

3 新型融雪剂的性能评价

3.1 融雪化冰能力

为充分表征YN-1融雪剂实际使用性能，重点考察融雪剂的融雪化冰能力、碳钢腐蚀率这两个指标。同时对融雪剂的PH值、溶解速率进行评价，以便全面认识融雪剂的物理化学性质，为融雪剂的正确使用、撒布工艺进行深入研究奠定基础。

选取常用的CaCl2、MgCl2、以及SD融雪剂与YN-1融雪剂进行对比研究：分别配制成200 g/ L溶液，置于-10 ℃的恒温容器中12 h，将4个恒温-10 ℃的冰块浸泡到溶液中，考察融化冰的量。《道路除冰融雪剂》（GB/T23851—2009）试验方法是在-10 ℃下，融雪剂溶液浸泡100 g冰0.5 h后取出称量冰的损失。为得到准确的化冰的质量，方法修正如下：低温下融雪剂浸泡冰的时间，每1 h取出称重，研究融雪剂的融冰效率，试验结果见图2，其中MgCl2溶液在0.5 h已结冰，失去融冰能力。

图2　 各融雪剂的融冰能力

由图2看出，随时间的延长，3种融冰剂的融冰能力却呈现增长的趋势，但曲线的斜率，即增长速率在变小。CaCl2和SD融雪剂3 h后，曲线变得平缓，融冰能力几乎不再增长；而自制的YN-1型融雪剂仍有高效的融冰效率，且有提高趋势。从理论解释，在微观上，可以认为是一部分溶质分子占据了溶剂的位置从而使蒸汽压降低，在冷凝过程中混合物分子之间互相干扰结晶过程，所以需要更低的温度达到凝固状态。即若能保持融雪剂浓度不变，冰块的融化速度则会逐渐变快，而事实上，冰块不断被溶解，溶液逐渐稀释，降低了融冰能力。这两个对立的作用相互影响，总的效果随时间从提高融冰能力会转变为降低融冰能力。

3.2 碳钢腐蚀率

将纯水、NaCl、CaCl2、MgCl2、SD融雪剂和YN-1融雪剂，同时进行碳钢腐蚀测试，并进行横向平行比较，试验方法参照GB/T 18175—2000标准。测试结果见表2。

表2　 浸泡不同溶液的碳钢腐蚀率

通过腐蚀率横向比较发现，YN-1融雪剂碳钢腐蚀率相对较低，而纯氯盐化合物腐蚀率较高，具有较强腐蚀性，这也说明直接使用氯盐作为融雪剂的危害。

3.3 溶解速度

为延长阻止路面结冰的起效时间，融雪剂在撒布之后应尽可能地长时间停留在道路表面。融雪剂作用时间与很多因素有关，例如被风吹走、汽车行驶带离路面，融雪剂溶解后流走等。其中溶解速度主要和融雪剂的物理化学性质关系密切。溶解速度试验参考辽宁省地方标准《辽宁省融雪剂质量与使用技术规程》。在常温20～25 ℃条件下，称取固体融雪剂样品40 g，放入烧杯，将搅拌叶置于烧杯中间，加水至200 mL，即刻启动精密电动搅拌器，将转速调至100 r/min进行搅拌并开始计时。观察溶解状况，至其完全溶解，记录完全溶解时间（精确至秒）。结果见表3。

表3　 融雪剂溶解速度

结果表明：CaCl2、MgCl2具有良好的溶解性能，溶解速度快，CaCl2溶解后放热。采用CaCl2、MgCl2作为融雪剂撒布后，起效快，融雪速度快，但起效时间短，形成水溶液后易于流走，当持续降雪时，融雪抗冰作用时间短。

SD融雪剂和YN-1融雪剂都是以NaCl为主要成分的融雪剂，YN-1融雪剂颗粒硬度高、密度大，撒布后由于重力作用易沉于积雪的底部，从积雪底部发挥融雪、防冰作用，其防冰作用更明显，且由于硬度高、溶解慢，防冰作用更为持久；而SD融雪剂为密度较小的粉末和片状物，撒布后嵌浮于积雪表面，从积雪上部开始发挥作用，由于其粉末状结构更容易溶解，因此其融雪作用相对更明显，但容易漂浮在雪水融化后的雪水表面，并被雪水带走，长效性差。由两者溶解速度对比来看，SD融雪剂溶解速度稍快，原因在于两者的硬度有所差别，SD融雪剂样品硬度为34.6 N，YN-1融雪剂样品硬度为51.2 N。由于在轧制工艺上增加的产品物料的颗粒密度，YN-1样品硬度明显大于SD融雪剂，因此更难溶解。该融雪剂撒布后，持续发挥抑制结冰的作用，起效时间长，特别是在持续降雪的情况下，能减少撒布次数。

3.4 融雪剂技术指标

参照国家标准对SD融雪剂和YN-1自制融雪剂进行了检测，检测结果见表4。

综上，自制新型YN-1融雪剂满足国家制定的融雪剂标准，外观白色，纯度较高，溶解后杂质少。具有较好的融雪化冰能力，同时具有较好的金属抗腐蚀性，可应用于钢桥面路面融雪剂的撒布，对桥面钢结构材料腐蚀性小［9-10］。

表4　 融雪剂检测指标

4 YN-1融雪剂的工程应用

4.1 南京冬季降雪情况分析

据江苏气象部门统计，南京2014年共计4场雪，降雪情况见表5。

表5　 南京2014年冬季降雪情况

分析南京冬季雨雪情况可以发现，南京地区冰雪天气主要以雨夹雪和小雪为主，主要发生在2月中上旬。零度以下气温主要发生在夜间，因气温降低，路面温度在零度以下情况，也主要发生在夜间。根据表5中雨雪情况也可以发现，白天气温高，有降雪也很难在路面上形成积雪和结冰。即使在18、19日当天大到暴雪的天气，并且持续降雪的情况下，在路面行车道上也基本无法形成积雪和压实雪，路面大都以雪水的形式存在。南京路面因降雪而形成积雪、结冰的情况主要发生在夜间，因此，在夜间来临、温度降低之前是防冰、除雪的重要关键时段。本项目试验工作主要结合18、19日持续降雪天气下的路面除雪、防冰工作共同完成。

4.2 匝道撒布试验

在小雪或雨夹雪天气下，夜间的防冰策略通常选择在路面上预先撒布融雪剂，以防止路面的雨水或雪水因温度骤降而形成结冰。其中，匝道因行驶交通量较少，匝道路面是易结冰的重点路段。因此，在对各个路段进行大面积预撒布融雪剂时，通常根据需要对匝道提前进行撒布。本次试验选择在绕越高速南京段与沪宁互通相连的麒麟枢纽相关匝道进行，采用小型双排座小车装满融雪剂，进行人工撒布试验。由于是人工撒布，撒布量和撒布均匀性由车辆的行驶速度和工人的撒布方式决定，使用双排座小车进行人工撒布注意事项如下：(1)尽可能保持匀速行驶，工人用铁锹撒布时尽量将融雪剂散开；(2)根据撒布量的要求调整车辆行驶速度；(3)匝道上撒布应保证各个车道能够覆盖。

第二天观察YN-1融雪剂撒布后的路面情况。由于钢箱梁桥面温度更低，相对于普通混凝土桥面路面道路两侧更容易形成积雪。如果夜间降温，湿滑钢箱梁路面也更容易结冰。但经过预撒融雪剂后，匝道路面基本没有结冰、积雪的现象。应当注意的是，融雪剂的预撒量和预撒次数要根据气候变化和路面状况有所不同。如果存在夜间温度不断降低、持续降雪情况，或者降雨量很大导致融雪剂无法保存于路面，要视情况进行第二遍，甚至第三遍融雪剂的撒布。4.3 钢桥面撒布试验

一般而言，桥面因其架空结构，缺少了地面温度的供给和热量储备，桥面温度会更低于路面温度，甚至是空气温度。特别是长江桥桥面，所处位置高度悬空，风力更大，受长江影响，且为钢结构桥面，更是冬季防冰重点路段中的关键。18、19日，白天、夜间都在持续降雪，为预防大桥桥面结冰，采取了多种预防措施。包括预撒传统融雪剂（尿素），出动除雪车、滚雪刷扫除降雪，临近夜晚又两次预撒融雪剂（尿素）。但是从19日凌晨2点开始，温度不断降低，在大桥桥面上开始出现结冰现象，形成细小的碎冰，桥面温度达到-7 ℃。

经过预先撒布了传统融雪剂后，桥面行车道由于车辆行驶，结冰主要是碎冰，而桥面两侧包括应急车道则形成坚硬积冰。为了查明该碎冰对行车的影响，测试了行车道的摩擦系数，摆值数据见表6。

表6　 桥面摆值测试结果

摆值结果表明，路面结冰显著降低了路面抗滑性能。鉴于尿素防冰作用比较差，为了防止桥面进一步结冰并降低抗滑系数，采用大型滚雪刷对路面的薄冰清除两遍，但仍然有结冰现象。因此，采用YN-1融雪剂再对钢桥面进行了小范围的撒布试验。YN-1新型融雪剂撒布后，路面薄冰即开始融化，直至第二天上午，桥面无结冰现象。

5 结论

（1）本文选用NaCl作为主要原料， ZnSO4与CH4N2S复配的缓蚀剂，掺量为0.5%，开发出了一种对金属低腐蚀的YN-1融雪剂，碳钢腐蚀率仅为0.042 3 mm/a。

（2）YN-1融雪剂在生产工艺上进行了深度加工，提高了融雪剂的硬度，硬度为51.2 N，溶解速度为6.7 g/min，增加了融雪剂的有效时间，在4 h后仍具有较高的融冰能力。

（3）经工程撒布试验，YN-1融雪剂在撒布后，具有渗透的效果，在融雪过程中不断渗透到雪层底部，从底部开始发挥降低冰点的作用，从而起到真正的防冰作用；融雪剂具有优越的长效性，由于其自身具有较强的硬度，同时增加缓释成分，其融雪化冰过程是一个不断缓慢释放的过程，在撒布后，能够在防冰的同时，大大提高路面防冰的有效时间。

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Research and Application of New Snowmelt Agent

Wang Wenfeng1, Wu Dongsheng1, Wu Chunying1, Zong Hai2, Zhu Haoran1
（1. JSTI Group, Nanjing 211112, China; 2. Nanjing Yangtze River Fourth Bridge Co., Ltd, Nanjing 210000, China）

A new snowmelt agent (YN-1) was prepared by the contrast of 4 different snowmelt agents, which were mainly composed of NaCl and used C6H11NaO7, ZnSO4， Na2SiO3and NaH2PO4compounded with thiourea respectively as corrosion inhibitor. Indoor snowmelt deicing experiment, carbon steel corrosion rate experiment, dissolution rate and application on the ramp and steel bridge were carried out. The results showed that YN-1 snowmelt agent had the characters of low corrosiveness to metals, good performance of melting ice and long effectiveness.

road engineering; snowmelt agent; corrosion rate; long effectiveness

U414

A

1672-9889（2016）04-0020-04

王文峰（1981-），男，黑龙江佳木斯人，工程师，主要从事新型道路材料研究工作。

2015-09-10）