王文峰，吳冬生，吳春穎，宗 海，朱浩然

（1.蘇交科集團股份有限公司，江蘇 南京 211112；2.南京長江第四大橋有限責任公司，江蘇 南京 210000）

新型融雪劑研究及工程應用

王文峰1，吳冬生1，吳春穎1，宗 海2，朱浩然1

（1.蘇交科集團股份有限公司，江蘇 南京 211112；2.南京長江第四大橋有限責任公司，江蘇 南京 210000）

以碳鋼腐蝕率為控制指標，對比了以NaCl為融雪劑主劑，葡萄糖酸鈉（C6H11NaO7）、ZnSO4、Na2SiO3和NaH2PO4分別與硫脲復配作緩蝕劑的4種融雪劑，制備了YN-1融雪劑。通過室內融雪化冰試驗、碳鋼腐蝕率試驗、溶解速度試驗，并在匝道和鋼橋面進行工程撒布應用，結果表明YN-1新型融雪劑具有金屬腐蝕率低，融雪除冰性能好，長效性優(yōu)越等特點。

道路工程；融雪劑；腐蝕率；長效性

1 概述

盡管非氯鹽型融雪劑在迅速發(fā)展中，但由于成本等經濟因素的制約，無論是在發(fā)達國家還是發(fā)展中國家，非氯鹽型融雪劑在短時期內都不可能大量使用。針對融雪劑帶來的問題，國內外調研發(fā)現，養(yǎng)護部門在使用融雪劑過程中，對氯鹽融雪劑的使用仍然面臨著兩難的選擇［1-4］。一方面氯鹽融雪劑在使用后對環(huán)境有侵蝕影響，一方面又缺乏行之有效且經濟可行的融雪辦法。無論是在市政領域還是高速公路的養(yǎng)護，從實用角度考慮，以氯鹽為主要成分的融雪劑仍然是冬季養(yǎng)護部門不可或缺的產品［5-8］。因此，本文從氯鹽融雪劑自身化學性質入手，開發(fā)出對環(huán)境影響小、腐蝕率低的新型融雪劑，同時針對使用方法和策略方面開展研究。

本文開發(fā)的融雪劑以傳統(tǒng)氯鹽為突破口，考慮到人們越來越重視的環(huán)保問題，在進行多元復配后極大降低了金屬腐蝕性，同時還添加了含有N、S、P等大量作物營養(yǎng)元素的緩蝕添加劑。故其對基礎設施、作物及環(huán)境損害較小。這一融雪劑的研制成功，將在一定程度上滿足融雪劑市場的需求，豐富融雪劑品種。

2 新型融雪劑的開發(fā)

傳統(tǒng)氯鹽融雪劑往往在破壞鈍化膜、形成腐蝕電池、去極化作用和導電作用幾方面對結構物中金屬造成腐蝕破壞［5］。為了降低融雪劑的金屬腐蝕性，本文選擇添加以下幾種緩蝕劑，見表1。

碳鋼腐蝕率是融雪劑一項重要指標，試驗方法參照《水處理劑緩蝕性能的測定方法（GB/T 18175—2000）》。本文選擇NaCl為融雪劑主劑，緩蝕劑用葡萄糖酸鈉（C6H11NaO7）、ZnSO4、Na2SiO3和NaH2PO4分別與CH4N2S進行復配，摻量為1%。試驗結果如圖1（a）所示。?

表1　 緩蝕劑分類

由圖1（a）可看出，添加復配的緩蝕劑后，碳鋼腐蝕率明顯降低，其中摻NaH2PO4的碳鋼腐蝕率最低，試驗檢測結果約為0 mm/a，摻ZnSO4的碳鋼腐蝕率為0.013 mm/a，效果良好。摻C6H11NaO7和Na2SiO3時，效果次之，考慮到這兩類陽極緩蝕劑在用量不足時會加速金屬腐蝕，故不選用。而NaH2PO4的價格較貴，從節(jié)約成本角度考慮，本文選擇采用ZnSO4與CH4N2S復配作為緩蝕劑，并以摻量為0.25%、0.5%、0.75%、1%再次進行試驗，研究緩蝕劑用量對碳鋼腐蝕率的影響，試驗結果見圖1（b）。

由圖1（b）可知，隨緩蝕劑摻量的增加，碳鋼腐蝕率逐漸降低。0.5%時腐蝕率僅為0.04 mm/a，滿足企業(yè)標準（0.1 mm/a），再增加緩蝕劑用量，碳鋼腐蝕率的降低速率減小，從最佳經濟效益考慮，選擇緩蝕劑為0.5%，自制YN-1融雪劑。

圖1　 碳鋼腐蝕情況

3 新型融雪劑的性能評價

3.1 融雪化冰能力

為充分表征YN-1融雪劑實際使用性能，重點考察融雪劑的融雪化冰能力、碳鋼腐蝕率這兩個指標。同時對融雪劑的PH值、溶解速率進行評價，以便全面認識融雪劑的物理化學性質，為融雪劑的正確使用、撒布工藝進行深入研究奠定基礎。

選取常用的CaCl2、MgCl2、以及SD融雪劑與YN-1融雪劑進行對比研究：分別配制成200 g/ L溶液，置于-10 ℃的恒溫容器中12 h，將4個恒溫-10 ℃的冰塊浸泡到溶液中，考察融化冰的量?！兜缆烦谘﹦罚℅B/T23851—2009）試驗方法是在-10 ℃下，融雪劑溶液浸泡100 g冰0.5 h后取出稱量冰的損失。為得到準確的化冰的質量，方法修正如下：低溫下融雪劑浸泡冰的時間，每1 h取出稱重，研究融雪劑的融冰效率，試驗結果見圖2，其中MgCl2溶液在0.5 h已結冰，失去融冰能力。

圖2　 各融雪劑的融冰能力

由圖2看出，隨時間的延長，3種融冰劑的融冰能力卻呈現增長的趨勢，但曲線的斜率，即增長速率在變小。CaCl2和SD融雪劑3 h后，曲線變得平緩，融冰能力幾乎不再增長；而自制的YN-1型融雪劑仍有高效的融冰效率，且有提高趨勢。從理論解釋，在微觀上，可以認為是一部分溶質分子占據了溶劑的位置從而使蒸汽壓降低，在冷凝過程中混合物分子之間互相干擾結晶過程，所以需要更低的溫度達到凝固狀態(tài)。即若能保持融雪劑濃度不變，冰塊的融化速度則會逐漸變快，而事實上，冰塊不斷被溶解，溶液逐漸稀釋，降低了融冰能力。這兩個對立的作用相互影響，總的效果隨時間從提高融冰能力會轉變?yōu)榻档腿诒芰Α?/p>

3.2 碳鋼腐蝕率

將純水、NaCl、CaCl2、MgCl2、SD融雪劑和YN-1融雪劑，同時進行碳鋼腐蝕測試，并進行橫向平行比較，試驗方法參照GB/T 18175—2000標準。測試結果見表2。

表2　 浸泡不同溶液的碳鋼腐蝕率

通過腐蝕率橫向比較發(fā)現，YN-1融雪劑碳鋼腐蝕率相對較低，而純氯鹽化合物腐蝕率較高，具有較強腐蝕性，這也說明直接使用氯鹽作為融雪劑的危害。

3.3 溶解速度

為延長阻止路面結冰的起效時間，融雪劑在撒布之后應盡可能地長時間停留在道路表面。融雪劑作用時間與很多因素有關，例如被風吹走、汽車行駛帶離路面，融雪劑溶解后流走等。其中溶解速度主要和融雪劑的物理化學性質關系密切。溶解速度試驗參考遼寧省地方標準《遼寧省融雪劑質量與使用技術規(guī)程》。在常溫20～25 ℃條件下，稱取固體融雪劑樣品40 g，放入燒杯，將攪拌葉置于燒杯中間，加水至200 mL，即刻啟動精密電動攪拌器，將轉速調至100 r/min進行攪拌并開始計時。觀察溶解狀況，至其完全溶解，記錄完全溶解時間（精確至秒）。結果見表3。

表3　 融雪劑溶解速度

結果表明：CaCl2、MgCl2具有良好的溶解性能，溶解速度快，CaCl2溶解后放熱。采用CaCl2、MgCl2作為融雪劑撒布后，起效快，融雪速度快，但起效時間短，形成水溶液后易于流走，當持續(xù)降雪時，融雪抗冰作用時間短。

SD融雪劑和YN-1融雪劑都是以NaCl為主要成分的融雪劑，YN-1融雪劑顆粒硬度高、密度大，撒布后由于重力作用易沉于積雪的底部，從積雪底部發(fā)揮融雪、防冰作用，其防冰作用更明顯，且由于硬度高、溶解慢，防冰作用更為持久；而SD融雪劑為密度較小的粉末和片狀物，撒布后嵌浮于積雪表面，從積雪上部開始發(fā)揮作用，由于其粉末狀結構更容易溶解，因此其融雪作用相對更明顯，但容易漂浮在雪水融化后的雪水表面，并被雪水帶走，長效性差。由兩者溶解速度對比來看，SD融雪劑溶解速度稍快，原因在于兩者的硬度有所差別，SD融雪劑樣品硬度為34.6 N，YN-1融雪劑樣品硬度為51.2 N。由于在軋制工藝上增加的產品物料的顆粒密度，YN-1樣品硬度明顯大于SD融雪劑，因此更難溶解。該融雪劑撒布后，持續(xù)發(fā)揮抑制結冰的作用，起效時間長，特別是在持續(xù)降雪的情況下，能減少撒布次數。

3.4 融雪劑技術指標

參照國家標準對SD融雪劑和YN-1自制融雪劑進行了檢測，檢測結果見表4。

綜上，自制新型YN-1融雪劑滿足國家制定的融雪劑標準，外觀白色，純度較高，溶解后雜質少。具有較好的融雪化冰能力，同時具有較好的金屬抗腐蝕性，可應用于鋼橋面路面融雪劑的撒布，對橋面鋼結構材料腐蝕性小［9-10］。

表4　 融雪劑檢測指標

4 YN-1融雪劑的工程應用

4.1 南京冬季降雪情況分析

據江蘇氣象部門統(tǒng)計，南京2014年共計4場雪，降雪情況見表5。

表5　 南京2014年冬季降雪情況

分析南京冬季雨雪情況可以發(fā)現，南京地區(qū)冰雪天氣主要以雨夾雪和小雪為主，主要發(fā)生在2月中上旬。零度以下氣溫主要發(fā)生在夜間，因氣溫降低，路面溫度在零度以下情況，也主要發(fā)生在夜間。根據表5中雨雪情況也可以發(fā)現，白天氣溫高，有降雪也很難在路面上形成積雪和結冰。即使在18、19日當天大到暴雪的天氣，并且持續(xù)降雪的情況下，在路面行車道上也基本無法形成積雪和壓實雪，路面大都以雪水的形式存在。南京路面因降雪而形成積雪、結冰的情況主要發(fā)生在夜間，因此，在夜間來臨、溫度降低之前是防冰、除雪的重要關鍵時段。本項目試驗工作主要結合18、19日持續(xù)降雪天氣下的路面除雪、防冰工作共同完成。

4.2 匝道撒布試驗

在小雪或雨夾雪天氣下，夜間的防冰策略通常選擇在路面上預先撒布融雪劑，以防止路面的雨水或雪水因溫度驟降而形成結冰。其中，匝道因行駛交通量較少，匝道路面是易結冰的重點路段。因此，在對各個路段進行大面積預撒布融雪劑時，通常根據需要對匝道提前進行撒布。本次試驗選擇在繞越高速南京段與滬寧互通相連的麒麟樞紐相關匝道進行，采用小型雙排座小車裝滿融雪劑，進行人工撒布試驗。由于是人工撒布，撒布量和撒布均勻性由車輛的行駛速度和工人的撒布方式決定，使用雙排座小車進行人工撒布注意事項如下：(1)盡可能保持勻速行駛，工人用鐵鍬撒布時盡量將融雪劑散開；(2)根據撒布量的要求調整車輛行駛速度；(3)匝道上撒布應保證各個車道能夠覆蓋。

第二天觀察YN-1融雪劑撒布后的路面情況。由于鋼箱梁橋面溫度更低，相對于普通混凝土橋面路面道路兩側更容易形成積雪。如果夜間降溫，濕滑鋼箱梁路面也更容易結冰。但經過預撒融雪劑后，匝道路面基本沒有結冰、積雪的現象。應當注意的是，融雪劑的預撒量和預撒次數要根據氣候變化和路面狀況有所不同。如果存在夜間溫度不斷降低、持續(xù)降雪情況，或者降雨量很大導致融雪劑無法保存于路面，要視情況進行第二遍，甚至第三遍融雪劑的撒布。4.3 鋼橋面撒布試驗

一般而言，橋面因其架空結構，缺少了地面溫度的供給和熱量儲備，橋面溫度會更低于路面溫度，甚至是空氣溫度。特別是長江橋橋面，所處位置高度懸空，風力更大，受長江影響，且為鋼結構橋面，更是冬季防冰重點路段中的關鍵。18、19日，白天、夜間都在持續(xù)降雪，為預防大橋橋面結冰，采取了多種預防措施。包括預撒傳統(tǒng)融雪劑（尿素），出動除雪車、滾雪刷掃除降雪，臨近夜晚又兩次預撒融雪劑（尿素）。但是從19日凌晨2點開始，溫度不斷降低，在大橋橋面上開始出現結冰現象，形成細小的碎冰，橋面溫度達到-7 ℃。

經過預先撒布了傳統(tǒng)融雪劑后，橋面行車道由于車輛行駛，結冰主要是碎冰，而橋面兩側包括應急車道則形成堅硬積冰。為了查明該碎冰對行車的影響，測試了行車道的摩擦系數，擺值數據見表6。

表6　 橋面擺值測試結果

擺值結果表明，路面結冰顯著降低了路面抗滑性能。鑒于尿素防冰作用比較差，為了防止橋面進一步結冰并降低抗滑系數，采用大型滾雪刷對路面的薄冰清除兩遍，但仍然有結冰現象。因此，采用YN-1融雪劑再對鋼橋面進行了小范圍的撒布試驗。YN-1新型融雪劑撒布后，路面薄冰即開始融化，直至第二天上午，橋面無結冰現象。

5 結論

（1）本文選用NaCl作為主要原料， ZnSO4與CH4N2S復配的緩蝕劑，摻量為0.5%，開發(fā)出了一種對金屬低腐蝕的YN-1融雪劑，碳鋼腐蝕率僅為0.042 3 mm/a。

（2）YN-1融雪劑在生產工藝上進行了深度加工，提高了融雪劑的硬度，硬度為51.2 N，溶解速度為6.7 g/min，增加了融雪劑的有效時間，在4 h后仍具有較高的融冰能力。

（3）經工程撒布試驗，YN-1融雪劑在撒布后，具有滲透的效果，在融雪過程中不斷滲透到雪層底部，從底部開始發(fā)揮降低冰點的作用，從而起到真正的防冰作用；融雪劑具有優(yōu)越的長效性，由于其自身具有較強的硬度，同時增加緩釋成分，其融雪化冰過程是一個不斷緩慢釋放的過程，在撒布后，能夠在防冰的同時，大大提高路面防冰的有效時間。

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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，黑龍江佳木斯人，工程師，主要從事新型道路材料研究工作。

2015-09-10）