融雪劑的應(yīng)用

1、融雪劑的應(yīng)用國(guó)際上使用最廣、用量最大的融雪劑是氯鹽類融雪劑，這種融雪劑在為人們 處理冰雪提供便捷的方式時(shí)，也在不斷地侵蝕著周圍的環(huán)境：土壤、地下水、混 凝土結(jié)構(gòu)，以至于車輛、路標(biāo)等。在美國(guó)，從上世紀(jì)五、六十年代之后，融雪化 冰鹽的環(huán)境和腐蝕問題逐漸突現(xiàn)出來。最先表現(xiàn)出來的是對(duì)道路周邊植被的破壞， 其次是對(duì)混凝土基礎(chǔ)設(shè)施的腐蝕，特別是對(duì)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的腐蝕破壞，已經(jīng)影 響到交通安全和經(jīng)濟(jì)發(fā)展。對(duì)環(huán)境的影響：路面灑布融雪劑后，清掃后的積雪一般堆積自然融化而不經(jīng)過特別的處理， 這樣融雪劑溶液就會(huì)進(jìn)入到公路排水管道，污染地下水資源；還有部分水溶液進(jìn) 入周圍的綠化帶中，造成綠化帶的土壤鹽分增大，進(jìn)而引起

2、植被的死亡。而且對(duì) 土壤的影響是不可逆的破害，為維護(hù)道路周邊的綠化帶就必須更換土壤。對(duì)基礎(chǔ)設(shè)施的損害：融雪劑對(duì)水泥混凝土結(jié)構(gòu)有著嚴(yán)重的破壞作用。在一般的情況下，混凝土內(nèi) 部的鋼筋受到周圍堿性環(huán)境形成的保護(hù)膜，緩慢甚至不發(fā)生自身氧化作用。融雪 劑溶液通過混凝土表面的縫隙或者孔隙進(jìn)入混凝土內(nèi)部后會(huì)破壞掉鋼筋周圍的 保護(hù)膜，催化鋼筋發(fā)生氧化反應(yīng)產(chǎn)生銹蝕產(chǎn)物（鐵銹），這樣一方面降低了結(jié)構(gòu) 的強(qiáng)度，另一主要方面是鐵銹會(huì)導(dǎo)致鋼筋體積的增大，大概可使原體積膨脹2.5 至5倍，在混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部產(chǎn)生應(yīng)力，破壞了結(jié)構(gòu)的整體性。因而一些梁頭及帽 架混凝土出現(xiàn)裂縫、剝落以及鋼筋外露等現(xiàn)象。1997年，由于大量使用融雪

3、劑， 受到融雪劑腐蝕作用，美國(guó)聯(lián)邦公路系統(tǒng)的581862座橋梁中，有將近五分之一 被確定為結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性不足，其修復(fù)成本為估計(jì)上千億美元。在我國(guó)京津地區(qū)，以橋梁為主的基礎(chǔ)設(shè)施的破壞，曾一度說成是“堿集料反 應(yīng)”的結(jié)果，事實(shí)證明化冰鹽才是真正的罪魁禍?zhǔn)?。北京西直門立交橋及其他一 些橋，鋼筋腐蝕破壞十分嚴(yán)重、混凝土鹽凍破壞明顯。有報(bào)道說：“天津建成僅 10多年的立交橋，橋梁邊梁大面積堿化，梁頭及帽梁混凝土出現(xiàn)裂縫并剝落， 使鋼筋外露、銹蝕，橋梁墩柱嚴(yán)重?fù)p壞，而一些新建不足5年的道路則出現(xiàn)大面 積龜裂，造成這些損害的罪魁禍?zhǔn)拙褪嵌救谘┑柠}水”。其他損害：融雪劑對(duì)路面路標(biāo)、車輛會(huì)造成腐蝕影響，甚至于行人

4、的鞋子也受到影響。 鹽與金屬的接觸中會(huì)形成電化學(xué)腐蝕反應(yīng)，從而使路標(biāo)、汽車的金屬部位生銹甚 至形成嚴(yán)重的腐蝕。鹽溶液會(huì)導(dǎo)致車輛輪胎、鞋子的加速老化，縮短其使用壽命。國(guó)內(nèi)外研究概況：除冰方法研究概況：當(dāng)今世界各國(guó)采用的道路除雪化冰方法主要包括人工-機(jī)械除冰、融雪劑除 冰、自融雪路面以及綜合除冰等方法。人工-機(jī)械除冰：該方法常用的機(jī)械有推土機(jī)、裝載機(jī)及防凍材料灑布車等，這種除冰的優(yōu)點(diǎn) 在于不會(huì)造成污染，但是耗費(fèi)高、效率低、影響道路正常使用等缺點(diǎn)。一般只是 輔助其他方式進(jìn)行除冰，比如融雪劑灑布車就是使用機(jī)械輔助融雪劑進(jìn)行融雪除 冰。微波除冰也是一種人工-機(jī)械除冰技術(shù)，這種技術(shù)是美國(guó)于20世紀(jì)80年代

5、 提出的利用微波對(duì)路面加熱并結(jié)合機(jī)械進(jìn)行除冰。但截止到目前，微波除冰技術(shù) 沒有能能實(shí)現(xiàn)真正的推廣應(yīng)用，關(guān)鍵在于微波除冰效率過低，難以實(shí)現(xiàn)快速除冰。在微波除冰的過程中，微波穿過冰層加熱道路材料，道路材料吸收微波后溫度升 高，融化了冰與路面交界處的冰層，降低了路面與冰層之間的吸附系數(shù)，再使用 機(jī)械碎冰裝置破碎和移除冰層，實(shí)現(xiàn)道路除冰。其主要優(yōu)點(diǎn)為：厚冰清除能效高，冰層的厚度對(duì)微波除冰效率影響很小，相比較加熱法和使 用融雪劑，從而減少能耗、降低除冰成本；對(duì)路面無損害，不污染環(huán)境。微波加熱后的路面與冰層分離，使用機(jī)械破碎 冰層時(shí)不會(huì)損傷路面，同時(shí)微波不會(huì)對(duì)路面和環(huán)境造成影響破壞。融雪劑除冰：融雪劑是一

6、些通過物理、化學(xué)或物理化學(xué)反應(yīng)降低水溶液的冰點(diǎn)，能夠使水 溶液在零下溫度時(shí)處于液體狀態(tài)的物質(zhì)。融雪劑除冰技術(shù)比較靈活方便，可以在 雪前或雪后進(jìn)行灑布，在車輛的作用下路面冰雪能夠迅速融化排出車道。特別是 在特大暴雪來臨前，可以根據(jù)氣象預(yù)告提前將融雪劑灑布到路面上，最大化的減 小冰雪對(duì)交通的影響。該方法操作簡(jiǎn)便、快速并且經(jīng)常使用的氯鹽型融雪劑價(jià)格 低廉，因而得到了廣泛的應(yīng)用。當(dāng)然，融雪劑除冰是一把雙刃劍，在給人們帶來 快速簡(jiǎn)潔的除冰方式外，也對(duì)道路周圍植被、地下水源等環(huán)境造成不可逆的破壞， 并且氯鹽融雪劑對(duì)混凝土路面和橋梁的影響已經(jīng)得到國(guó)內(nèi)外學(xué)者的公認(rèn)?，F(xiàn)在國(guó)際上通常使用的融雪劑主要分為三類：一類

7、是以醋酸鹽融雪劑，這種 融雪劑的冰點(diǎn)低，融雪效果好，適用范圍廣，對(duì)環(huán)境不會(huì)造成太大影響，一般被 稱為環(huán)保型融雪劑，但是價(jià)格較昂貴，一般只用于機(jī)場(chǎng)等重要的場(chǎng)所；另一類是 氯鹽融雪劑，如氯化鈉、氯化鈣、氯化鎂、等，其優(yōu)點(diǎn)是來源廣泛，價(jià)格便宜， 僅相當(dāng)于醋酸鹽類融雪劑的十分之一，但缺點(diǎn)也很明顯，首先其冰點(diǎn)比較高，氯 化鈉融雪劑為零下10攝氏度左右，氯化鈣融雪劑則為零下20攝氏度左右，其次是對(duì)公共基礎(chǔ)設(shè)施具有嚴(yán)重的腐蝕性，而且對(duì)環(huán)境影響較大，經(jīng)常造成道路周邊 環(huán)境不可逆的破壞，國(guó)際通常使用的融雪劑就屬于這一類；還有一類融雪劑取自 生物提取液，其具有良好的融雪化冰能力，而且不影響周邊環(huán)境，但是距工業(yè)化

8、生產(chǎn)尚有距離。自融雪路面：自融雪路面是現(xiàn)在國(guó)際上討論比較多的道路融雪方式，它包括熱力融冰雪類 技術(shù)、添加鹽化物類技術(shù)和抑制凍結(jié)鋪裝類技術(shù)等。熱力融冰雪方法是利用路面下方地?zé)?、燃?xì)?、電或太?yáng)能等產(chǎn)生的熱量使路 面冰雪融化，比如地?zé)峁芊?、紅外線燈照加熱法、電熱絲法、發(fā)熱電纜法、太陽(yáng) 能加熱法等。它需要在路面設(shè)計(jì)時(shí)引入發(fā)熱裝置，比如電阻絲、太陽(yáng)能蓄熱材料等。部分 發(fā)熱裝置需要人工進(jìn)行開啟，比如電熱絲法、發(fā)熱電纜法等，部分是隨著溫度變 化而變化，在溫度低于某臨界值時(shí)自動(dòng)發(fā)熱化雪。該技術(shù)始于20世紀(jì)40年代的 日本，隨后美國(guó)、瑞士等國(guó)也相繼開發(fā)了類似的專利技術(shù)，并已成功應(yīng)用。發(fā)熱電纜加熱系統(tǒng)以電力作為能

9、源、發(fā)熱電纜為發(fā)熱體，將電能轉(zhuǎn)換為熱能， 經(jīng)路面結(jié)構(gòu)層的導(dǎo)熱將熱量傳到路表融雪。發(fā)熱電纜加熱系統(tǒng)有無污染、費(fèi)用低、 熱穩(wěn)定性好以及控制方便等優(yōu)點(diǎn)，此技術(shù)在北歐國(guó)家已經(jīng)有所應(yīng)用。太陽(yáng)能加熱法是將夏季太陽(yáng)產(chǎn)生的熱能存儲(chǔ)起來，冬季路表溫度過低時(shí)施放 出來。該方法包括集熱裝置、蓄熱裝置和融雪裝置三部分組成。集熱裝置的是將 太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換成熱能并傳遞到蓄熱裝置，熱能在蓄熱裝置中以化學(xué)能或熱能的方式 存儲(chǔ)，冬季是將能量以熱能的方式傳遞給融雪裝置，使路面的溫度升高而融化路 面上的冰雪。但是考慮到經(jīng)濟(jì)方面的原因，該系統(tǒng)還只能用于特殊路段。地?zé)峁芊ㄊ峭ㄟ^管道將地?zé)醾鞯降乇韥砣诨┭b置，缺點(diǎn)是安裝和建造加 熱管道比

10、較復(fù)雜；電絲法是在路面上加入電熱絲用于發(fā)熱。熱力融冰雪技術(shù)融冰雪速度快安全環(huán)保，但是其能耗巨大，維護(hù)費(fèi)用高，建 造工藝復(fù)雜，而且對(duì)道路材料、結(jié)構(gòu)和施工都有特殊要求，因而適用范圍相對(duì)較 窄。添加鹽化物類技術(shù)是在瀝青混合料中添加氯化鈣或其它具有融雪化冰能力 的鹽化物來降低冰雪融點(diǎn)，從而達(dá)到道路融雪的效果。其中鹽化物的添加有以下4種方式：以粉體形式置換混合料的礦粉；以顆粒的形式表面或內(nèi)部孔隙包裹融雪劑，置換混合料中的細(xì)集料；鹽分與水泥固化成粒狀質(zhì)，置換混合料中的粗、細(xì)集料；在開級(jí)配瀝青混合料的隙中填充不凍液、鹽化物等抑制凍的材料。添加鹽化物類技術(shù)在日本等多國(guó)家有一定的研究，目前國(guó)內(nèi)也開始進(jìn)行相關(guān) 的

11、研究報(bào)道。這種技術(shù)難點(diǎn)在于：為保證瀝青混合料本身的路用性能，所添加鹽 化物的數(shù)量有限，處于路表面起融雪化冰作用的鹽化物更少，所以融雪效果、持 續(xù)時(shí)間有待分析。抑制凍結(jié)鋪裝類技術(shù)是在瀝青路面級(jí)配設(shè)計(jì)時(shí)引入一定量的特 殊材料，使得路面受到車輛荷載時(shí)可以發(fā)生彈性變形，從而在路面產(chǎn)生自應(yīng)力， 使路面冰雪破碎并隨車輪的轉(zhuǎn)動(dòng)排離車道。它又分為橡膠顆粒填充混合料和鑲嵌 類鋪裝技術(shù)。橡膠顆粒填充混合料是將廢舊橡膠輪胎，破碎成一定粒徑的顆粒，以骨料的 形式直接添加于瀝青混合料中，用以代替部分集料而形成的新型瀝青混合料。橡 膠顆粒填充混合料是利用橡膠顆粒的彈性回復(fù)破碎冰層，是一種物理式抑制路面，該路面的基本概念是

12、在20世紀(jì)70年代由瑞典道路研究所提出來的。鑲嵌類鋪裝技術(shù)是在普通瀝青路面鋪筑完成之后，再通過一定的施工工藝將 彈性材料鑲嵌到路表面，也是利用材料的彈性變形降低冰雪對(duì)路面的黏結(jié)程度， 提高冰雪破碎的幾率，從而達(dá)到破除路面積雪結(jié)冰的目的。融雪劑對(duì)路面破壞研究概況：1943年Arnfelt在瑞典調(diào)查混凝土路面破壞時(shí)發(fā)現(xiàn)，各種鹽的稀溶液（包 括尿素、乙醇等有機(jī)物）在凍結(jié)條件下，能夠引起混凝土嚴(yán)重的表面破壞。接著 美國(guó)在T.C.Powers混凝土抗凍理論的基礎(chǔ)上也開始研究鹽凍對(duì)混凝土的破壞。 從1950年開始，在北美和北歐等國(guó)家路面混凝土設(shè)計(jì)中均采取了防止除冰鹽破 壞的技術(shù)措施。氯鹽類融雪劑對(duì)瀝青混凝

13、土路面的破壞形式包括物理作用和化學(xué) 作用。研究表明物理作用是引起瀝青剝落、集料外漏，造成路面破損的主要原因： 瀝青混凝土在氯鹽類溶液浸泡的干濕循環(huán)下，再加上溫差、荷載循環(huán)的協(xié)同作用， 造成混凝土內(nèi)部氯鹽溶液失水結(jié)晶膨脹，進(jìn)而導(dǎo)致混凝土承載力降低、路面結(jié)構(gòu) 層的破損。同時(shí)美國(guó)混凝土學(xué)會(huì)201委員會(huì)也認(rèn)為物理作用是引起混凝土破壞的 主要原因，剝蝕是其造成道路破壞的主要方式。表面剝蝕由外向內(nèi)進(jìn)行，層層剝 落。雖然對(duì)確切的機(jī)理還不清楚，但多傾向于滲透壓理論。根據(jù)這一理論，當(dāng)混 凝土中的水結(jié)冰之后孔液部分的鹽（主要是氯化物）濃度增大，與環(huán)境形成鹽濃度 差而產(chǎn)生一個(gè)滲透壓。水由環(huán)境向混凝土的滲透提高了其內(nèi)

14、部壓力，使混凝土遭 到破壞。若從熱力學(xué)觀點(diǎn)解釋滲透壓破壞機(jī)理則是：當(dāng)混凝土孔液自由能高于已 出現(xiàn)的冰的時(shí)候，毛細(xì)孔內(nèi)的冰就會(huì)持續(xù)增長(zhǎng)。冰不斷增長(zhǎng)時(shí)受到孔壁的壓力， 幫助平衡兩相自由能的差?？墒牵@個(gè)壓力很容易超過混凝土的抗拉強(qiáng)度，從而 發(fā)生剝落破壞。盡管剝落是混凝土破壞的重要現(xiàn)象，但是在非凍的情況下仍然能夠觀察到混凝土的破壞，這表明破壞過程中化學(xué)反應(yīng)破壞機(jī)制的作用。在相同的 試驗(yàn)條件下，對(duì)比分析受不同氯鹽類物質(zhì)浸蝕后混凝土路面的剝蝕和開裂變化， 分析表明：含有氯化鈉、氯化鈣、氯化鎂等物質(zhì)的融雪劑都對(duì)混凝土具有腐蝕效 應(yīng)，其中在單種成分作用下氯化鎂破壞作用最大，其破壞程度依次是氯化鎂、氯 化鈉、

15、氯化鈣。國(guó)內(nèi)相關(guān)學(xué)者在已建成通車的混凝土路面鉆心取樣，對(duì)不同濃度 融雪劑溶液浸蝕后，混凝土的抗凍耐久性能進(jìn)行對(duì)比分析，試驗(yàn)結(jié)果表明：融雪 劑融雪所形成的鹽溶液對(duì)混凝土具有物理結(jié)晶膨脹破壞作用，并且隨著鹽溶液的 濃度變化而有所不同。國(guó)內(nèi)很多專家學(xué)者也對(duì)混凝土鹽腐蝕方面做了相當(dāng)多的研究。利用自行研發(fā)的應(yīng)力腐蝕加載裝置對(duì)高性能混凝土在應(yīng)力作用下的腐蝕特 性進(jìn)行了較為系統(tǒng)的研究；總結(jié)了國(guó)內(nèi)外關(guān)于水泥混凝土在氯鹽+硫酸鹽復(fù)合作用下的損傷失效研究以 及混凝土在氯鹽+硫酸鹽+鎂鹽復(fù)合作用下的損傷失效研究的主要成果，針對(duì)我國(guó) 西部地區(qū)惡劣氣候環(huán)境，建立了復(fù)合因素下混凝土耐久性試驗(yàn)系列新方法；進(jìn)行了海洋環(huán)境中的

16、兩種主要化學(xué)腐蝕類型-氯鹽和硫酸鹽的腐蝕研究，并 從試驗(yàn)研究和數(shù)值模擬兩方面對(duì)受腐蝕混凝土的力學(xué)特性進(jìn)行了分析；研究了荷載、干濕循環(huán)和硫酸鹽侵蝕等破壞因素的單獨(dú)作用及其復(fù)合作用， 對(duì)不同水灰比配制的水泥混凝土耐久性性能的影響規(guī)律，同時(shí)采用XRD對(duì)硫酸鹽 侵蝕產(chǎn)物進(jìn)行了表征，分析對(duì)荷載和硫酸鹽共同作用下的混凝土腐蝕特性；研究了水泥混凝土在單一化學(xué)腐蝕破壞及受腐蝕和凍融循環(huán)雙重破壞作用 下，混凝土材料的強(qiáng)度及質(zhì)量損失規(guī)律。融雪劑開發(fā)研究概況：當(dāng)今國(guó)際上使用量最大的除冰鹽是氯鹽類融雪劑，雖然已經(jīng)明確了氯鹽類融 雪劑對(duì)環(huán)境、混凝土結(jié)構(gòu)、路標(biāo)等具有嚴(yán)重的腐蝕作用，但由于其來源廣泛、價(jià) 格低廉，國(guó)際上還是

17、一直在使用。對(duì)于其他類型的融雪劑，因?yàn)閬碓词芟?、價(jià)格 昂貴，還沒有形成工業(yè)化生產(chǎn)，只能使用在特殊地段。一般融雪劑可以分成氯鹽型融雪劑和非氯 鹽型融雪劑，基本上等同于非環(huán)保型和環(huán)保型融雪劑。氯鹽型融雪劑：這種融雪劑的種類較多，包括括氯化鈉、氯化鈣、氯化鎂、氯化鉀等氯鹽類。 美國(guó)主要使用的5種融雪劑，氯鹽就占了其中三種（氯化鈉、氯化鈣、氯化鉀）， 氯化鈉是使用最早用量最大的。日本使用融雪劑要晚于美國(guó)，依然以氯化鈉和氯 化鈣為主。我國(guó)早期主要使用氯化鈉融雪劑，近期則開始使用氯化鈣融雪劑。與 氯化鈉相比，氯化鈣融雪劑性能更加優(yōu)越，主要是其冰點(diǎn)低、溶解時(shí)放熱，特別 是無水氯化鈣，溶解熱大。但是氯化鈣在融

18、雪后產(chǎn)生的環(huán)境污染與氯化鈉類似， 程度上略輕。日本研制了以石灰石和鹽酸制得的粗氯化鈣與硫酸鎂作為主要成分， 加入氯化鎂、磷酸鹽及可溶性鉀鹽，經(jīng)粉碎、混合、噴入羥基乙基纖維素溶液及 著色劑，再經(jīng)造粒篩分得粒狀制品。這種產(chǎn)品比一般的氯化鈣發(fā)熱量提高了 50%， 融雪效率更高。但是氯鹽類融雪劑對(duì)環(huán)境存在著嚴(yán)重的污染破壞。氯鹽類融雪劑融化冰雪后， 水溶液會(huì)進(jìn)入到地下水源，導(dǎo)致談水源含鹽量上升;氯鹽溶液會(huì)腐蝕混凝土結(jié)構(gòu)， 導(dǎo)致路面、橋梁、排水管道等結(jié)構(gòu)的破損；氯鹽溶液會(huì)增大道路兩側(cè)土壤的含鹽 量，造成植被死亡；氯鹽水溶液還會(huì)腐蝕路標(biāo)、車輛等給人們出行造成麻煩。氯 鹽還會(huì)對(duì)瀝青混合料路用性能造成影響。非氯

19、鹽型融雪劑：現(xiàn)在國(guó)內(nèi)外相關(guān)部門都迫切尋求一種經(jīng)濟(jì)、環(huán)保型融雪劑，其具有像氯化鈉 一樣的廣泛來源，還要不污染環(huán)境。經(jīng)過大量的科研人員的努力和實(shí)踐，非氯鹽 型融雪劑的研制工作也取得了一些進(jìn)展。醋酸鹽類融雪劑：醋酸鹽類融雪劑是20世紀(jì)80年代美國(guó)利用垃圾廢物研制生產(chǎn)的一種環(huán)保型 融雪劑，也被稱為CMA，這種融雪劑的優(yōu)點(diǎn)主要集中在兩個(gè)方面：首先是對(duì)環(huán)境 的影響破壞很小，在土壤中醋酸根離子會(huì)與其他物質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，通過離子交 換使原土壤中的微量金屬析出。在水中可分解形成醋酸，醋酸分子和土壤中的鋅 以及鉛反應(yīng)形成碳酸鋅和碳酸鉛，與方解石形成共沉淀，進(jìn)而降低水中鎘、銅、 鋅、釩以及銘的濃度。有關(guān)生物降解的研究結(jié)果顯示，在CMA到達(dá)地下水前可被 大量降解。美國(guó)學(xué)者曾在加州北部的湖泊中進(jìn)行海藻和菌類試驗(yàn)，結(jié)果表明CMA 對(duì)水中生物的影響極小。其次，CMA對(duì)水泥混凝土結(jié)構(gòu)的腐蝕影響較小，并且對(duì)金屬的腐蝕具有明顯 抑制作用。但是由于醋酸鹽類融雪劑的價(jià)格較高，在目前情況下無法大規(guī)模廉價(jià) 制造，只