冬季除冰雪融雪剂合理撒布量和精益撒布研究.pdf

doi:10.3969/j.issn.1673-6478.2023.04.025 冬季除冰雪融雪剂合理撒布量和精益撒布研究 翟鹏程 1，原 驰2，袁正兵1，陈 明1，杨永芳1，曹 东1，曹 伟1，高 飞1，郑艳江1，王 垚1，袁 鑫2（1.山西交通控股集团有限公司长治高速公路分公司，山西 长治 046000；2.长安大学，陕西 西安 710064）摘要：为探明公路除冰雪时融雪剂的合理撒布量和撒布方式，依托长治高速公路冬季除冰雪养护工程，通过现场试验研究不同材质路面和积雪厚度条件下不同融雪剂撒布量和撒布方式的融雪效果。得到如下结论：（1）提前在道路上撒布融雪剂比在道路积雪后撒布融雪剂融雪效率高，效果也更好。（2）融雪剂撒布在钢桥面上融雪效果最好，其次是撒布在沥青混凝土路面上，撒布在水泥混凝土路面上融雪效果最差。（3）积雪厚度在 3cm 以内，融雪剂融雪效果明显；积雪厚度在 5cm 以上，融雪效果都不太好；融雪剂合理撒布量应在 200g/m2以上，桥梁、隧道口、背阴纵坡地带的撒布量可以提高到 500g/m2以上。关键词：路面除冰雪；融雪剂；合理撒布 中图分类号：U418.6 文献标识码：A 文章编号：1673-6478（2023）04-0105-05 Study on Reasonable Spreading Amount and Lean Spreading of Snow and Ice Melting Agent in Winter ZHAI Pengcheng1,YUAN Chi2,YUAN Zhengbing1,CHEN Ming1,YANG Yongfang1,CAO Dong1,CAO Wei1,GAO Fei1,ZHENG Yanjiang1,WANG Yao1,YUAN Xin2(1.Shanxi Traffic Holding Group Co.,Ltd.,Changzhi Expressway Branch,Changzhi Shanxi 046000,China;2.Highway College of Changan University,Xian Shaanxi 710064,China)Abstract:In order to find out the reasonable amount and mode of snow-melting agent during snow and ice removal on highway,relying on the winter snow-melting maintenance project of Changzhi Expressway,the snow-melting effects of different snow-melting agents and snow-melting methods on different materials and snowfall conditions were studied through field experiments.The conclusions are as follows:(1)Spreading snow melting agent on the road in advance is more efficient and effective than spreading snow melting agent on the road with thick snow.(2)The snow-melting effect of snow-melting agent spread on the steel bridge deck is the best,followed by that on the asphalt concrete pavement,and the snow-melting effect on the cement concrete pavement is the worst.(3)When the snow thickness is less than 3cm,the snow melting effect of snow melting agent is obvious;when the snow thickness is above 5cm,the snow melting effect is not very good;the reasonable distribution amount of snow melting agent should be above 200g/m2,and the distribution amount of bridge,tunnel entrance and shady longitudinal slope can be increased to more than 500g/m2.Key words:road deicing;snow melting agent;reasonable spreading 投稿日期：2022-09-27 作者简介：翟鹏程（1972-），男，山西长治人，高级工程师，研究方向为道路与桥梁.（）通信作者：原驰（1998-），男，陕西西安人，博士，副教授，研究方向为道路工程.（）106 交 通 节 能 与 环 保 第 19 卷 0 引言 寒冷季节道路冰雪对整个交通系统、经济体系及人们正常的室外活动与工作均有一定程度的影响。我国较寒冷地区在冬季普遍存在路面积雪冰冻现象，近年来南方也多次遭遇特大降雪，损失巨大。恶劣的气候不仅给人们的交通带来不便，也会给人们带来财产上的损失甚至威胁到生命，因此加强不良气候条件下交通安全事故的预防、解决道路融雪化冰问题迫在眉睫。世界各高纬度地区和国家均对冬季公路积雪结冰问题进行了研究，得出了许多有效的防治措施，包括使用融雪剂、人工机械清除、微波加热车、新型路面材料、导电混凝土、发热电缆加热路面等方法1-6。目前最常用的公路除冰雪方法是撒布融雪剂和人工机械除雪。其中部分常见的融雪剂会造成城市绿化植物枯死、路面及桥面破坏、金属受损、汽车轮胎的使用寿命缩短、地下水受污染等。尤其是对桥梁混凝土中的钢筋影响最为严重7-10。为此，一些学者开始对环保型的融雪剂进行深入研究。易卉11考虑到碳酰胺具备一定的融雪特性且作为非氯盐型融雪剂和肥料，对周围环境无害，可大范围使用。因此选用碳酰胺作为主物料之一制备一种低氯高效复合融雪剂，对其融雪性能进行研究和评价，并与常用融雪剂作对比。陈渊召12基于医学制药中的“缓控释”思想，用高分子纤维素分别制备疏水型与亲水型包衣溶液，对环保型融雪剂包衣成膜，研究融冰雪涂层的耐水性、耐磨性和耐腐蚀性，分析其耐久性能，通过分析融冰雪涂层对植物生长和金属腐蚀的影响以评价其环保性能。王丽勋13为减少除冰盐所带来的副作用，研制了两种环保型的路用除冰雪剂，并从防滑除冰雪剂的性能、使用方法、适用范围、注意事项、效益分析等方面进行了分析。过去对融雪剂的研究大部分集中在其本身的融雪性能上，而融雪剂的融雪能力还跟气温、路面温度、降雪等级、撒布工艺、撒布效率以及道路表面是否结冰等因素有关。一方面，对于价格较高的环保型融雪剂，合理的撒布能提高经济效益。另一方面，对于对环境有一定程度危害的融雪剂，如何合理地撒布从而达到既快速融雪又减轻对环境影响的效果更为重要14-15。本文依托长治高速公路冬季除冰雪养护工程，对冬季除冰雪融雪剂合理撒布量和精益撒布进行了研究，以期为路面养护管理决策者合理确定路面除冰雪养护方案提供科学依据和决策支持。1 融雪剂除冰雪机理 融雪剂融雪基本原理是盐溶于水后使混合溶液冰点下降，在处于 0以下的冰雪中撒布融雪剂后，当盐水的浓度足以使其冰点降到当时气温之下时，冰雪即融化为含盐雪水。整个过程可以分为两个部分：一是吸热行为，每千克固态的冰雪融化为同温度的液态水需吸收热量 335kJ；二是溶解行为，融雪剂作为溶质溶于雪中成为融雪剂溶液，其浓度随着时间的增加而变稀，同时，融雪剂还作为润湿剂降低了冰的表面张力，破坏了冰内部的晶格键，使溶液熵值增大，从而使融化后的雪水冰点降低，最终融雪剂与冰雪共同融化形成溶液，不再冻结。融雪剂在车轮的冲击下渐成溶液。由于固液两相的化学势不等，两相不能共存，其中必然有一相要向另一相转变。若固相化学势大于液相化学势，则固相就要向液相转变，即固体融化；反之亦然。而此时生成溶液的化学势低于压实冰雪的化学势，压实冰雪开始融化，并随着这个过程的扩大，反应速度加快，冰雪表面出现微裂，形成大面积的龟裂，从局部融化逐渐扩展为全面融化，路面露出。2 材料选用及试验工况设计 2.1 融雪剂的选用 不同的融雪剂其本身性能差别较大，本文根据现场施工要求，采用经济有效的环保型融雪剂，材料成分包括 CaCl2、MgCl2、NaCl 及防锈剂，符合融雪剂（GB/T 238512017）标准，适用于高速公路、城市道路、桥梁工程，采用的融雪剂如图 1 所示。图 1 融雪剂示意图 Fig.1 schematic diagram of snow melting agent 2.2 融雪剂撒布量试验工况设计 使用融雪剂是融化路面冰雪的一种有效手段，目前还不能因为它对环境有一定的影响而放弃使用。正第 4 期 翟鹏程等，冬季除冰雪融雪剂合理撒布量和精益撒布研究 107 确使用融雪剂的关键在于如何合理确定融雪剂撒布量，才能达到既快速融雪又减轻对环境影响的效果。同时融雪剂采购得少，可能无法应对冬季除冰雪应急的需要，采购得多，则有可能造成浪费，融雪剂的采购数量以及合理的撒布量应该更加精准化。而常规依据降雪量确定融雪剂撒布量的方法没有考虑温度、撒布方式等因素的影响，且规定的融雪剂撒布量范围太宽泛，实际操作起来难以确定融雪剂的准确用量。因此，为研究在一定气温条件下，不同厚度积雪路面撒布不同剂量融雪剂的消融效果，确定道路融雪剂合理撒布量，进行现场试验研究。试验时间为 2020 年 1 月 6 日上午 9 点，地点为长邯高速公路管理处沥青混凝土停车场。气温为3，大雪。观测时间为 2020 年 1 月 6 日上午 11 点和 1 月 7 日上午 11 点。分别为降雪后 1h 和降雪后 6h及撒布融雪剂 24h 的融雪状态，试验设计 5 类工况，如表 1、表 2 所示。表 1 先降雪后撒布融雪剂试验工况 Tab.1 Test conditions of snow-melting agent after snowfall 工况 气温/路面类型 积雪层 厚度/cm 融雪剂剂量/g 观测 时间/h 1-1 3 沥青混凝土 3 100、200、500 1 1-2 3 沥青混凝土 5 100、200、500 1 1-3 3 沥青混凝土 10 100、200、500 1 1-4 3 沥青混凝土 3、5、10 100、200、500 24 2-1 3 水泥混凝土 10 100、200、500 1 表 2 先撒布融雪剂后降雪试验工况 Tab.2 Experimental conditions of snow-melting agent before snowfall 工况 气温/路面类型 降雪 时间/h 融雪剂剂量/g 观测 时间/h 3-1 3 沥青混凝土 1 100、200、500 1 3-2 3 沥青混凝土 3 100、200、500 3 4-1 3 水泥混凝土 1 100、200、500 1 4-2 3 水泥混凝土 3 100、200、500 3 4-3 3 水泥混凝土 6 100、200、500 24 5-1 3 钢板 3 100、200、500 3 5-2 3 钢板 6 100、200、500 24 3 融雪剂合理撒布量试验结果分析 根据对上述 5 类工况共 12 种试验工况的观测得到结果如下。工况 1-1：气温3，沥青混凝土路面积雪覆盖3cm，分别撒布 100、200、500g 的融雪剂和不撒布融雪剂，1h 后比较融雪效果。撒布 500g 的 1m2沥青混凝土积雪方格融化率达到 95%，撒布 200g 的融化率为 63%，撒布 100g 的融化率为 18%。图 2 工况 1-1 试验结果 Fig.2 Test results under condition 1-1 工况 1-2：气温3，沥青混凝土路面积雪覆盖5cm，分别撒布 100、200、500g 的融雪剂和不撒布融雪剂，1h 后比较融雪效果。撒布 500g 的 1m2沥青混凝土积雪方格融化率达到 45%，撒布 200g 的融化率为 22%，撒布 100g 的融化率为 10%。工况 1-3：气温3，沥青混凝土路面积雪覆盖10cm，分别撒布 100、200、500g 的融雪剂和不撒布融雪剂，1h 后比较融雪效果。撒布 500g 的 1m2沥青混凝土积雪方格融化率达到 25%，撒布 200g 的融化率为 13%，撒布 100g 的融化率为 7%。工况 1-4：气温3，沥青混凝土路面积雪覆盖达到 3、5、10cm 时，分别测试撒布 100、200、500g的融雪剂和不撒布融雪剂，雪后 6h，撒布融雪剂 24h后的融雪效果如图 3 所示。3cm 厚积雪撒布 100g，雪后 6h 融化率为 26%，雪后 24h 融化率为 47%。5cm厚积雪撒布 200g，雪后 6h 融化率为 31%，雪后 24h融化率为 52%。10cm 厚积雪撒布 500g，雪后 6h 融化率为 41%，雪后 24h 融化率为 77%。图 3 工况 1-4 试验结果 Fig.3 Test results under condition 1-4 工况 2-1：气温3，在墙角背阴处选择水泥混凝土路面积雪覆盖 10cm，分别撒布 100、200、500g的融雪剂和不撒布融雪剂，1h 后比较融雪效果。撒布500g 的 1m2水泥混凝土积雪方格融化率达到 56%，撒布 200g 的融化率为 24%，撒布 100g 的融化率为108 交 通 节 能 与 环 保 第 19 卷 15%。工况 3-1：气温3，沥青混凝土路面分别撒布100、200、500g 的融雪剂，雪后观测融雪效果。下雪1h 后，不同剂量融雪剂方格内都没有积雪。工况 3-2：气温3，沥青混凝土路面分别撒布100、200、500g 的融雪剂，雪后观测融雪效果。下雪3h 后，撒布 500g 的 1m2沥青混凝土方格融化率达到91%，撒布 200g 的融化率为 33%，撒布 100g 的融化率为 24%。图 4 工况 3-2 试验结果 Fig.4 Test results under condition 3-2 工况 4-1：气温3，水泥混凝土路面分别撒布100、200、500g 的融雪剂，雪后观测融雪效果。下雪1h 后，方格内都没有积雪。工况 4-2：气温3，水泥混凝土路面分别撒布100、200、500g 的融雪剂，雪后观测融雪效果。下雪3h 后，撒布 500g 的 1m2水泥混凝土积雪方格内融化率达到 81%，撒布 200g 的融化率为 55%，撒布 100g的融化率为 25%。图 5 工况 4-2 试验结果 Fig.5 Test results under condition 4-2 工况 4-3：气温3，水泥混凝土路面分别撒布100、200、500g 的融雪剂，雪后观测融雪效果。下雪6h 后，撒布 24h 后观测，不同剂量融雪剂方格内全部被积雪覆盖。工况 5-1：气温3，钢桥面分别撒布 100、200、500g 的融雪剂，雪后观测融雪效果。下雪 3h 后，撒布 500g 的 1m2钢桥面方格内融化率达到 95%，撒布200g 的融化率为 87%，撒布 100g 的融化率为 82%。工况 5-2：气温3，钢桥面分别撒布 100、200、500g 的融雪剂，雪后观测融雪效果。下雪 6h 后，撒布 24h 后进行观测。撒布 500g 的 1m2钢桥面方格内融化率达到 99%，撒布 200g 的融化率为 91%，撒布100g 的融化率为 88%。图 6 钢板腐蚀效果 Fig.6 Corrosion effect of steel plate 对比工况 1、3、5 发现同样剂量的融雪剂在不同路面结构上撒布融雪效果不同，撒布在钢桥面上面融雪效果最好，其次是撒布在水泥混凝土路面上，撒布在沥青混凝土路面上融雪效果最差。对比所有工况发现积雪厚度在 3cm 以内，融雪剂融雪效果明显，1h 以后 100、200、500g 剂量的融雪剂都能够融化 80%以上，500g 的能够融化 90%；积雪厚度在 5cm 以上，不论何种路面结构也不论撒布多少剂量的融雪剂，融雪效果都不太好。通过工况 3-1 可以发现融雪剂合理撒布量应在200g/m2以上，且桥梁、隧道口、背阴纵坡地带的撒布量可以提高到 500g/m2以上。对比工况 1、2 发现提前在道路上撒布融雪剂比在道路积雪后撒布融雪剂融雪效率高，效果也更好。早期降雪落下后被融雪剂融化，随后含有融雪剂的水在流动过程中又融化了没有撒到融雪剂路面的积雪，融雪面积扩大。通过工况5 发现融雪剂融雪后的冰水混合物对金属的腐蚀比较明显。由现场试验得知撒布均匀性与撒布效果密切相关，撒布越均匀，融雪剂颗粒与积雪接触面积越大，融雪效果越好。降雪时气温和地温降到 0以下应撒布融雪剂，气温和地温高于 0可不用撒布融雪剂。4 结语 本文依托长治高速公路冬季除冰雪养护工程，对冬季除冰雪融雪剂合理撒布量和精益撒布进行了研究，通过对多种现场试验结果的观测和分析，得到如下结论：第 4 期 翟鹏程等，冬季除冰雪融雪剂合理撒布量和精益撒布研究 109（1）提前在道路上撒布融雪剂比在道路积雪后撒布融雪剂融雪效率高，效果也更好。早期降雪落下后被融雪剂融化，随后含有融雪剂的水在流动过程中又融化了没有撒到融雪剂路面的积雪，使得融雪面积扩大。（2）同样剂量的融雪剂在不同路面结构上撒布融雪效果不同，撒布在钢桥面上融雪效果最好，其次是撒布在沥青混凝土路面上，撒布在水泥混凝土路面上融雪效果最差。（3）积雪厚度在 3cm 以内，融雪剂融雪效果明显；积雪厚度在 5cm 以上，不论何种路面结构也不论撒布多少剂量的融雪剂，融雪效果都不太好；融雪剂合理撒布量应在 200g/m2以上，桥梁、隧道口、背阴纵坡地带的撒布量可以提高到 500g/m2以上。参考文献：1 喻文兵,李双洋,冯文杰,等.道路融雪除冰技术现状与发展趋势分析J.冰川冻土,2011,33(4):933-940.2 王选仓,陆凯诠.公路路面融雪化冰技术与发展J.筑路机械与施工机械化,2013,30(1):26-31.3 刘凯,王选仓,王芳.中外高速公路融雪化冰技术和方法J.交通企业管理,2009,24(8):73-74.4 周先觉.高速公路融雪除冰技术现状与解决方案探讨C.中国公路学会高速公路运营管理分会 2011 年度年会暨第十八次全国高速公路运营管理工作研讨会论文集.2011:362-364.5 刘红瑛,郝培文.道路除冰雪技术及其发展趋势J.筑路机械与施工机械化,2008(11):18-21+8.6 李冠峰,李蕾,宋乐,等.道路除冰融雪技术探讨J.中国公路,2013(22):126-127.7 骆虹,罗立斌,张晶.融雪剂对环境的影响及对策J.中国环境监测,2004(1):55-57.8 代琳琳,赵晓明.融雪剂的环境污染与控制对策J.安全与环境工程,2004(4):29-31+39.9 杨全兵.盐及融雪剂种类对混凝土剥蚀破坏影响的研究J.建筑材料学报,2006(4):464-467.10 洪乃丰.氯盐类融雪剂的腐蚀危害与试验方法的讨论J.工业建筑,2006(10):61-64.11 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