融雪剂在不同条件下的融雪化冰能力研究

李 盼 孙铂煊 任一博

（河南交院工程技术集团有限公司，河南 郑州 450000）

0 引言

随着国家经济实力的提升，桥梁建设得到了极大的发展，桥梁在道路运输、市政交通中发挥着不可或缺的作用。我国桥梁修建中常采用水泥混凝土结构，因其原材料成本低、力学强度高、施工易操作等优点被广泛应用。我国北方冬季降雪天气较多，积雪结冰后路面湿滑，影响交通运行甚至造成交通事故。融雪剂已成为主要的除雪方式，但融雪剂除雪是一把“双刃剑”，它既能快速融化冰雪保障行车安全，也会对桥梁路面结构造成严重破坏［1］。经调查发现，在融雪剂使用2 年后桥面就会出现明显的盐冻剥蚀破坏现象，从而影响桥梁使用的耐久性，缩短使用寿命并造成较大经济损失。因此，探究融雪剂在不同条件下所发挥的性能，科学合理使用融雪剂显得尤为重要。

1 融雪剂的使用原理

路面除雪中常用的有氯盐类的无机融雪剂和非氯盐类的有机融雪剂两种［2］。氯盐类融雪剂包括氯化钠、氯化钙、氯化镁等，非氯盐类融雪剂主要有醋酸钠、醋酸钙、醋酸镁，其原理是降低水的冰点和盐水的凝固点来实现融雪效果。同时融雪剂溶解吸热，使盐水凝固点进一步降低，导致融化的冰雪难以再结冰，更有利于对雪的清理［3］。

本研究选取氯化钠、氯化钙、醋酸钠3 种典型融雪剂，探究在不同时长、不同压强、不同质量分数、不同温度、不同状态条件下融雪剂的使用对融雪化冰效果的影响。在试验数据及分析结果基础上，为融雪剂的科学合理使用提供依据［4］。

2 不同时长条件下的融雪化冰试验

按照《融雪剂》（GT∕T 23851—2017）中的规定，分别测定氯化钠、氯化钙、醋酸钠溶液的相对融雪化冰能力。分别移取25.00 mL 氯化钠、氯化钙、醋酸钠溶液（质量分数均为18.0%），于3 个50 mL 烧杯中，置于-10 ℃±1 ℃的低温恒温箱中，3 h 后备用。从低温恒温箱中取出带有冰块的烧杯，擦干外壁上的水和冰，室温下迅速称重，精确至0.1 g［5］。将低温恒温箱中的氯化钠、氯化钙、醋酸钠试验溶液分别取出，迅速倒入盛有冰块的烧杯中，然后放回-10 ℃±1 ℃的低温恒温箱中，0.5 h 后取出，立即倾倒其中液体，室温下迅速称重烧杯和剩余冰块质量，各平行测定两次。

同时，平行制备另外2组试验溶液，分别于1 h、2 h 后取出，立即倾倒其中液体，室温下迅速称重烧杯和剩余冰块质量，各平行测定两次，测定结果见表1，融冰量和相对融冰能力见表2和图1、图2。

图1 不同时间的融冰量

图2 不同时间的相对融冰能力

表1 相对融雪化冰能力试验结果单位：mL

表2 融冰量和相对融冰能力计算

融雪剂的相对融雪化冰能力以ω按式（1）计算。

式中：m0为未加入融雪剂试验溶液的烧杯和冰块的质量，g；m1为倒出融雪剂试验溶液与融化的冰后烧杯和剩余冰块的质量，g；m'0为未加入氯化钠溶液的烧杯和冰块的质量，g；m'1为倒出氯化钠溶液与融化的冰后烧杯和剩余冰块的质量，g。取平行测定结果的算术平均值为测定结果，两次平行测定结果的绝对差值不大于5%。

由图1 可知，氯化钠、氯化钙、醋酸钠溶液前0.5 h 融冰速度最快，基本呈线性；0.5～1.0 h 融冰速度有所下降，曲线较为平缓；1.0～2.0 h 融冰量速度最小，曲线已接近水平线。三种溶液前0.5 h 融冰量占前2 h 总融冰量的比例分别为61.7%、63.4%、69.2%，均在60%以上，可见融雪剂的融雪效果主要集中在前0.5 h。由图2 可知，相对融冰能力排序如下：醋酸钠>氯化钠>氯化钙；3种溶液在0.5 h、1 h、2h 相对融冰能力基本稳定，从侧面也反映出随着时间的推移，融雪剂的融雪冰化能力变化基本一致。

3 车辆荷载模拟状态下的融雪化冰试验

依据《公路桥涵设计通用规范》（JTG D60—2015）4.3 条关于车辆荷载规定，选取后轴进行模拟测试，单个后轴重力标准值为140 kN∕2=70 kN，着地宽度及长度分别为0.6 m、0.2 m，计算得到标准压强为583 MPa。考虑到车辆荷载的纵横向折减，本研究选取300 MPa、500 MPa 进行模拟试验。

试样制备与大气压下的融雪化冰试验相同，不同的是在低温恒温箱安装专门的压力设备，将低温恒温箱中的氯化钠、氯化钙、醋酸钠试验溶液取出，倒入盛有冰块的烧杯，并放回-10 ℃±1 ℃的低温恒温箱后，分别加载300 MPa、500 MPa 的模拟压强，使冰块在此压力下进行融雪化冰，0.5 h后取出并倾倒液体，室温下迅速称重烧杯和剩余冰块质量，各平行测定两次，测定结果见表3，融冰量和相对融冰能力见表4和图3、图4。

图3 不同压强下融冰量

图4 不同压强下相对融冰能力

表3 相对融雪化冰能力试验结果单位：mL

表4 融冰量和相对融冰能力计算

由图3 可知，随着压强的增大，氯化钠、氯化钙、醋酸钠溶液融冰量均有明显增加，尤其醋酸钠效果最为明显，基本呈现指数增加；氯化钠、氯化钙增加速度趋于平缓。由图4 可知，随着压强的增大，相对融冰能力排序依然为：醋酸钠>氯化钠>氯化钙；在300 MPa 时，3 种溶液的相对融冰能力比大气压强度下相对稳定；在500 MPa 时，氯化钙的相对融冰能力逐渐出现下降趋势，而醋酸钠的相对融冰能力仍出现增长势头。该试验结果从侧面也印证了当压强增大时，水的凝固点随之降低，此时融化的水难以再结冰，更有利于融雪化冰［6］。

4 不同质量分数条件下的融冰能力试验

《融雪剂》（GT∕T 23851—2017）中的试验溶液质量分数为18%，为了探究不同质量分数对融雪剂融雪化冰能力的影响，本研究同步制备质量分数为35%、50%的两组试样进行平行试验。

分别将不同质量分数的氯化钠、氯化钙、醋酸钠试验溶液倒入盛有冰块的烧杯，放入-10 ℃±1 ℃的低温恒温箱，0.5 h 后取出并倾倒液体，室温下迅速称重烧杯和剩余冰块质量，各平行测定两次，测定结果见表5，融冰量和相对融冰能力见表6和图5、图6。

图5 不同质量分数下融冰量

图6 不同质量分数下相对融冰能力

表5 相对融雪化冰能力试验结果单位：mL

表6 融冰量和相对融冰能力计算

由图5 可知，随着溶液质量分数的增大，氯化钠、氯化钙、醋酸钠溶液融冰量均有明显增加，18%～35%阶段增加量较大，基本呈现线性变化；35%～50%阶段增加量趋向平缓。由图6可知，三种溶液的相对融冰能力基本平稳［7］。由此可推出融雪剂的融雪化冰能力并非随着质量分数增大一直线性增大，达到一定质量分数后，增大效果不再明显，同时考虑到随着质量分数增大，氯盐类融雪剂中氯离子对混凝土盐蚀作用增强及过量使用不经济［8］，可将融雪剂的质量分数设定为某一范围，建议质量分数范围不超过25%～35%，经济与效果性相对最佳。

5 不同温度条件下的融雪化冰试验

《融雪剂》（GT∕T 23851—2017）中规定的试验温度为-10 ℃±1 ℃，而实际路面上融雪化冰的温度随着一天的温度而动态变化，因此在-10 ℃下较难反映出其他温度条件下的融雪化冰能力，不具有完全代表性［5］。本研究在《融雪剂》（GT∕T 23851—2017）规范基础上，分别选取-5 ℃±1 ℃、-15 ℃±1 ℃试验温度条件，进行平行试验。

试样制备与大气压下的融雪化冰试验相同，不同的是在将低温恒温箱中的氯化钠、氯化钙、醋酸钠试验溶液取出，倒入盛有冰块的烧杯后，分别放入-5 ℃±1 ℃、-15 ℃±1 ℃的低温恒温箱，0.5 h 后取出并倾倒液体，室温下迅速称重烧杯和剩余冰块质量，各平行测定两次，测定结果见表7，融冰量和相对融冰能力见表8和图7、图8。

图7 不同温度下融冰量

图8 不同温度下相对融冰能力

表7 相对融雪化冰能力试验结果单位：mL

表8 融冰量和相对融冰能力计算

由图7 可知，随着温度的升高，氯化钠、氯化钙、醋酸钠溶液融冰量均有所增加，变化趋势较一致。这是由于随着融雪化冰的进行，水变成盐水后凝固点、醋酸钠凝固点降低较明显［9］，此时外部温度越高，与溶液凝固点温差越大越易融化，融雪化冰能力越强。由图8可知，醋酸钠、氯化钙在-15 ℃时相对融冰能力相较-5 ℃、-10 ℃仅高出50%，这不是因为醋酸钠、氯化钙的真实相对融冰能力提高，而是由于氯化钠在-15 ℃时融冰量降低。有试验表明，氯化钠溶于水后冰点在-10 ℃，氯化钙在-20 ℃左右，醋酸类可达-30 ℃左右，由此得出氯化钠不适合作为-10 ℃以下温度相对融雪性能试验的参比溶液［5］。

6 结论

根据试验结果，可得出以下结论。

①在撒布融雪剂的前0.5 h，融雪速度最快，效果最佳，随着时间的推移，融雪速度减缓。在桥梁路面上撒布融雪剂除雪时，应至少提前车辆高峰期0.5 h进行撒布。

②在车辆繁忙、重载车辆较多车道撒布融雪剂，压强增大配合融雪剂效果可使路面冰雪更易融化，效果更好。

③选择合理的融雪剂溶度，不仅能有效进行除雪，还能够减少过量氯盐类融雪剂中氯离子对混凝土的盐蚀作用，更加经济。

④温度对融雪剂的影响至关重要，在较高的外部温度下撒布融雪剂，效果更佳。也正是利用这一点，较多城市选择在道路上辅助撒布炭渣、粗砂、树枝渣等物质来防滑，同时利用这些渣类物质的深色吸收太阳的热量，以增加地面温度来融雪［10］。