盐类除冰剂：一种冬季道路安全解决方案

编译 蔡立英

正值寒冬占据北半球之际，挪威科技大学科学家约翰·沃林（Johan Wahlin）和亚历克斯·克莱因-佩斯特（Alex Klein-Paste）向我们阐释了用盐除冰从而保持冬季道路安全的原理。

冬季道路养护人员有三种策略可以创造安全的道路：防结冰（左）、防压实（中）和除冰（右）

设想一下，周末，你在挪威的山上滑雪。状况令人吃惊：整个星期都在下雪，当你在周六到达山上时，阳光普照，空气中透着一股凛冽的寒意。但是，到周日下午，天气暖和起来，现在，当你开车穿过黑压压的森林覆盖的群山，天空下起雨来。白色积雪覆盖的道路让你开车上山时很容易，而现在道路结冰，变得滑溜而危险。

虽然你的车装有镶钉防滑轮胎，但是你仍需费劲控制好你的车。错动一步，你就可能刹车失控，滑下山坡，撞到树上或是撞上另一辆车。你的心提到了嗓子眼，你的手因为紧握方向盘而隐隐作痛，你睁大眼睛紧盯着前方。

然后，你得救了：你开到了主干道上。滑如玻璃的林中道路融入黑乎乎、光秃秃的柏油路，你很快就会发现为什么这条路既没有积雪也不结冰——因为一辆冬季道路养护车正让人放心地从对面驶来，在道路上撒盐。但是，当我们撒盐到结冰和积雪的路上时，究竟发生了什么呢？盐是如何把这些危险的公路变成了车辆可以安全行驶的路面的？

盐：冬季道路安全卫士

盐或者叫氯化钠（NaCl）是用来增加结冰路面抓力的最寻常物质，在很多国家都是冬季道路养护作业的无价之宝。我们俩都生活在挪威，这里平均每年提供大约25万吨盐用于冬季道路养护，而美国每年的使用量大约是1 700万吨，英国每年的使用量是200万吨。那些冬季气温在0℃上下波动的国家和交通流量非常大的道路（每天超过1 500辆车），盐作为除冰剂特别有效。

在挪威，政府的公路管理局并不亲自做道路养护，而是按划定区域分片雇佣承包商来做。公路管理局的工作人员密切关注天气预报，这样他们就能对非常天气事件先发制人做出快速反应。这一策略就产生了三种不同的道路撒盐方法：防结冰法（anti-icing）、防压实法（anti-compaction）和除冰法（deicing）。

防结冰法是一种先发制人的做法，第一时间撒盐阻止道路结冰。例如，当道路潮湿而且气温预计将会降到0℃以下或是当空气中湿气很重而道路寒冷导致结霜时，就可以运用防结冰的策略。

而防压实法指的是在下雪前或下雪期间向道路撒盐。在这种方案中，撒盐的目的不是为了把雪全部融化，而是为了防止积雪压实成坚硬的雪壳而难以扫除。承包商的目标是赶在降雪太多之前，把盐撒到路上，因为加了盐的雪黏着力较小，很容易被来往车辆和铲雪车清除。

至于除冰法，则是用盐除去已经在路上形成并且牢牢黏着在路面上的冰。承包商试图避免使用除冰策略，因为用到除冰策略意味着他们的防结冰或防压实行动已经失败，危险的状况已经形成。换言之，除冰策略是一种反应性的策略，意图对一种危险的情形重拾掌控。

挪威，一辆冬季道路养护车正在撒盐融化道路上的积雪

两种冰晶：a含盐，b不含盐

除冰法的威力：制造混乱

道路上撒的盐是如何发挥除冰作用的呢？简单来说是盐溶于水，增加了水的熵，因此降低了水的冰点。熵——通常比较松散的定义是指混乱程度，是度量物质杂乱无序状态的一个物理量。溶解在水中的盐给溶液提供了比纯净的水更多可能的几何构型，因此，创造了一个更加无序的系统。既然宇宙万物趋向于熵更高的状态，一个更混乱的相（也就是液态）相比于其他的相（也就是水蒸气和冰）变得更有吸引力。因此，盐把溶液相对稳定成水而不是冰的状态，意味着需要更低的气温才能让液态水结冰。而且，我们溶解到水里的盐越多，盐水溶液的冰点就变得越低。对于大多数除冰剂来说，盐水的浓度和冰点之间的关系已经通过实验确定下来了。

尽管这一点是盐的除冰威力背后的关键作用机制，不过它并不能解释一切。就拿防结冰策略来说，其目的是阻止水结冰。这应该很简单。推测起来，你只需使用足够量的盐，让道路上的水的冰点变得比从天气预报预计的最冷道路温度更低就行。然而，结果是，为了防止路面结冰，承包商所需的盐量是他们用来融化冰的盐量的40%。导致这种差别的原因是盐同时还改变了水结冰的方式。

我们在学校都学过，当液态水的温度降低到冰点（0℃）时，会变成固态。这句话的大部分内容（除去任何相变的内在复杂性）是正确的——你把一盘水放到冰箱里，过一会儿，盘子里没有液体剩下，只有固态的冰。这个道理非常简单。另一方面，盐水在冰点时（0℃以下），并没有完全变成固体，而是同时存在固体和液体，而且固体中不包含盐。

这是因为冰不接受盐的离子进入它的晶格——它对水分子可以放置在什么位置以及如何放置都有严格的几何约束。冰的晶格形成了分层六边形的结构，一个外来的离子要进入这个结构则必须嵌合在六边形里面或者在两层之间。但是，盐的离子（钠离子和氯离子）个头太大，做不到这一点。结果，结冰的过程只不过是把水分子从盐水溶液中拿走，留下盐不受影响地继续留在液态水中。因此，剩余溶液中的盐浓度变得更高，冰点降得更低，直至结冰过程停止——你最终得到的是一些冰和含盐液体。如果气温进一步下降，更多的冰会形成，但是一直都会有液体存在，直到气温下降到盐水混合物的“共晶温度”——溶液保持稳定的最低的可能温度。低于此温度则盐会结晶，剩下的水会结冰。对于氯化钠来说，上述情况会在零下21℃时发生。

增添盐的除冰威力的是，在盐水溶液中形成的冰由树枝状的晶体组成，这种晶体在淡水结成的冰中是看不到的。这些“树枝状针”并没有从纯净的不含盐的水中结成的冰那么坚固，如果是在道路上形成的，会被来往车辆摧毁。只有当超过60%的溶液都变成冰时，它才会足够坚硬以致成为道路交通的问题。

有盐捏不成雪球

当我们把盐撒到雪上，阻止雪压实时，盐是如何起作用的呢？核心原因仍是冰点降低，但这并不能解释一切。正如前文所述，盐之所以会融化雪，是因为盐溶液的熵比冰更高——对于水分子来说，待在溶液里比成为固态的晶体更有吸引力。但是，要融化所有降雪，将需要数量巨大的盐，比实际使用的量多得多。

雪还是盐？很多国家在冬天动用数以吨计的白色晶体——盐去除道路冰雪

取而代之的方法是，用盐融化一点雪，所形成的盐溶液改变了剩下的固体的力学特性。这种方法有点像你捏雪球时的情景。“湿的”雪——接近熔点（0℃）的雪，非常快地黏合在一起，可以捏成一个很棒的很坚固的雪球，经得起你在空中抛出去。这是通过一个叫作“烧结”的过程实现的，构成雪的微小的冰晶就是通过这个过程黏结在一起。雪具有非常大的表面积——毕竟，一片平整的雪花有很多“手臂”伸出来，内部很小而表面很大。不过，从热力学的观点来看，这种结构不利于给物质更高的表面能量。但是，因为冰非常接近其熔点，它的分子非常易变。然后，这些分子会从能量不利的位置（雪花臂）移动到晶体之间的接触点上更有利的位置。雪晶体因此黏结在一起，或叫“烧结”，为雪提供了力量。

但是，盐水与淡水有很大的不同。如果雪被盐水弄湿，你就捏不出一个完美的形状恰当的雪球——晶体并不相互黏结在一起，雪的行为更像是非常小的珍珠的集合。人们并不完全知道其中的原因，不过科学家认为溶解于水的盐可能附着在冰表面的水分子上，阻止它们和其他冰晶中的其他水分子形成联结。把这个原理应用到冬季道路养护的防压实策略中，结果是我们只需融化20%正在下或已下的雪，剩下的雪就能轻而易举地清除。

基于上述结论，我们再来看看除冰策略——适用情形是道路上的积水已结冰。又一次，除冰法完全就是关于盐融化冰的故事。但是，只有当融水对溶液的稀释作用达到新的平衡，即稀释的盐溶液的冰点变得与道路温度相同时，盐融化冰才会发生。

在冬季道路养护行业，我们使用“融化能力”来描述1克除冰剂能融化几克冰，温度越低，除冰剂的融化能力越低。但是，请记住，承包商进行除冰作业时，道路已经非常滑溜。因此，非常重要的一点是除冰剂不仅要融化很多冰，而且要快速融化，也就是说，融化速度和融化能力一样重要。尤其是在低温下，还有比氯化钠更有效的除冰剂，比如，氯化镁或氯化钙。的确，在世界上有些地方，比如美国，当天气变得格外寒冷时，会使用这些化合物作为除冰剂。

双刃剑：使用量有讲究

盐作为除冰剂也会有负面影响。尽管它在冬天帮助我们清除冰雪，保障道路安全可控，但它也会腐蚀暴露在空气中的金属，损害车辆以及路边设施，比如指示牌和路障。路上撒的盐还会伤害附近的蔬菜并且污染淡水源。

因此，一条至关重要的原则是不使用过量的盐，并且系统研究让露天撒盐量最小化。的确，在挪威，撒盐是一件精打细算的事情，根据道路的重要性、用途和当地天气来决定盐的使用量。在1.3万公里长的道路上（大约是挪威整个公路网长度的1/7），撒盐的目的是保持道路在整个冬季都完全没有冰雪。这些是挪威最重要的道路，每天车流量在1 500～80 000辆车之间，因此会进行日常的撒盐和铲雪。在更小的道路上，只有当气温接近0℃而不是在更冷的时候，才会使用盐——天气温和时，会保持车行道畅通；在天气更冷的时候，会任由雪壳或冰壳形成。在挪威公路网的其他道路，养护目标是整个冬天都维持道路上有雪壳或冰壳，只有在冬季的开始和结束时使用盐。这个策略需要铲雪作业来保持路面平整，并且在雪壳或冰壳变得太滑溜时，撒上摩擦性颗粒，比如沙子。而在很多降雪多的国家，仍然使用粗放的撒盐方式，即便是在天气更温和的情况下，所有道路在冬天都会撒盐。

在特隆赫姆的挪威科技大学（NTNU），我们的研究团队正在努力研究要保持冬季道路安全，只需多么少量的盐即可。为了这个研究目的，我们需要理解盐的不同用途背后的基础物理学。例如，我们试图计算出要获得足够的防压实效果，我们需要添加到雪中的最小盐量，我们还要研究盐对“白霜”形成的影响（白霜是由湿气沉积到道路表面形成）。不过，知道盐如何发挥作用只不过是找到了拼图的一块。盐这种矿物质只有撒在道路上而不是路边沟里，才会有帮助。不幸的是，车流很容易就会把盐吹到或溅到路边，所以“冬季道路养护”领域的另一个研究课题是研究使盐或其他除冰剂在道路上保留更久的方法，并且改进模型，更好地预测它们投入使用后的作用期限。

这项研究工作的全部目的是优化撒盐作业方式，这样承包商就可以按所需使用盐或其他除冰剂，同时又尽可能小地做出安全性方面的妥协。如果我们能达到撒盐的佳境，就意味着能减少滑溜结冰的道路上那些不可靠的旅程，可以让您的周末滑雪之旅结束得更轻松。