融雪剂非均匀撒布技术的研究

霍尚斌

（山西省交通科学研究院，山西 太原 030006）

1 问题的提出

冬季除雪是道路养护工程的重要任务之一。为了尽快并较为彻底地实现落雪清除，撒布融雪剂以降低雪的冰点使其由固态变为液态水流出主道是目前国内外常用的除雪方式之一。鉴于融雪剂的使用对道路周围环境影响的弊端，尽量减少融雪剂的使用量是减轻这种影响的有效途径，但融雪剂的减少又会延长雪融时间。

目前国内外采用的融雪剂均匀撒布工艺，即均匀撒布方法，其追求的最好效果是在每个单位面积上撒布的融雪剂数量为一常数。如本文前述，这个数量不可能很大，即数量有限。在此撒布密度下，雪融时间一般为2～3 h。如因环境温度过低、雪的厚度和密度更大（雪的状态改变，如压实雪等）时雪融时间会更长。显然这个速度是比较缓慢的，要尽可能提高雪融速度，只能从其他途径寻求办法。山西省交通科学研究院立项研究的《脉冲式融雪剂撒布车研发》项目是寻求提高融雪速度的成功尝试。

2 研究内容

本项目提出的以脉冲撒布为主要技术特征的融雪剂撒布工艺和专用机械撒布装置将变融雪剂均匀撒布为脉冲型非均匀撒布。这种新工艺实现落雪快速液化的技术前提主要在于下述诸点：

a）雪的消融速度与融雪剂在雪中所含数量成正比。因此本项目的应用将使融雪剂的撒布在落雪表面形成不均匀的脉冲形撒布面，即在道路横断面上的路拱上段形成脉冲形的多道较浓（融雪剂含量较周围较大和集中）的融雪剂撒布线，从而形成相对快速的雪融线，并以其雪融水对路拱下段的落雪形成冲刷的趋势，以此完成道路的快速除雪。

b）在自然状态下，撒布融雪剂融雪速度肯定较具有一定浓度的液化盐水冲击自然雪慢。

c）高等级道路的路面由内侧向外侧的延伸呈2°～5°坡角，这为雪消融液化后向道路外侧的流动冲融余雪提供了自然趋势和必要条件。

3 试验

3.1 试验目的

课题组以上述的技术前提为基础，用实地融雪工程试验，找到和确认较佳的脉冲撒布方式及其对应的融雪剂撒布量，其结论将作为施工工艺及专用设备的参数选择和结构设计的主要依据和参考。

3.2 试验手段和基本程序

下述试验应与高速公路目前常用的机械化融雪剂除雪工程同期进行。

a）在高速公路的典型路段，以人工手段仿真模拟除雪剂在雪地上的脉冲式不均匀撒布。

b）在整个融、除雪过程中连续不间断观察和记录其除雪效应。

c）通过对第一手数据的深入分析，优化和确认较佳的脉冲撒布方式及其对应的除雪剂撒布量。

d）对机械化融雪剂除雪工程（传统工艺）的除雪效应进行不间断观察和记录，以形成与脉冲式不均匀撒布工艺（新工艺）进行比对的第一手数据。

3.3 试验条件

3.3.1 试验地点

融雪试验地点为山西汾离高速吴城服务区匝道。该路段车流量大、气温寒冷，能够代表高速公路除雪工程的完整工况。

3.3.2 试验温度

气温是影响融雪最重要的因素，根据气温选择合理的融雪剂浓度和撒布的方式，可以使融雪剂发挥最大的作用。

有研究人员认为，当融雪时的温度在-10℃以上时，融雪剂的作用非常明显。当融雪时的温度在-10℃～-20℃之间时，可考虑集中布盐进行融雪，即在一条车道上加大盐的用量。非均匀撒布，提高部分区域的盐分含量，以点带面，融化开后，再向周边渗化，先使一条车道达到通行效果，符合“先通后净”的要求。当气温在-20℃以下时，使用融雪剂效果极差。

我们选取的整个试验过程中温度在-10℃～-18℃以上。

3.3.3 雪状态

雪的状态通常分为松散雪、初压雪、压实雪3种主要类型。如若再细化，亦可将雪的状态分为路面结霜、路面结冰、冻雨和压实积雪。根据雪的状态可以选用不同的除雪方式和确定不同的融雪剂撒布量。

课题组选取的试验路段积雪状态为初压雪，且雪厚度小于等于5 mm。

3.3.4 融雪剂选择

融雪剂的种类很多，大多数为氯盐型、非氯盐型和混合型。融雪剂的融雪原理，都是通过撒布融雪剂降低雪水的冰点，实现融雪的目的。如果使用某类型的融雪剂时，气温低于该融雪剂的冰点，那么撒布量再大，也不会有融雪的作用。融雪剂的选择受价格、环境保护、地域等的影响，所以在选择融雪剂时应充分考虑各种相关的因素。

虽然氯盐类融雪剂的使用会破坏环境，但由于价格便宜，且融雪效果明显，因此在国内外道路融雪中得到了广泛应用。据统计美国每年用于冬季道路养护的融雪剂超过1 000万t，其中约80%为氯盐类融雪剂[1]。

表1是在高速公路融雪作业中常用的几类融雪剂的冰点和适合作业温度的参数。从表1可知，不同类型的融雪剂其参数各不相同[2]。

表1 融雪剂最低冰点和适合作业温度 ℃

本项目中课题组选用的融雪剂类型为氯盐型融雪剂，主要成分为氯化钠。

3.3.5 确定撒布基本量（即单位面积的融雪剂用量）

在保证融雪效果和融雪效率的前提下，合理地控制融雪剂的用量，在一定程度上可以减低融雪剂对环境的危害。同时，在融雪作业时，撒布量不足或过大，或者会造成融雪效果不理想，或者造成浪费。这也要求具体作业时必须根据当时气温与积雪情况等因素科学确定融雪剂用量。

表2为国外在不同的路面条件下融雪剂使用用量标准[3]。

表2 国外不同路面条件下融雪剂用量标准

我国尚未制定融雪剂用量标准，很多省市根据实际情况确定了适合本地区的使用量。

例如，北京在使用融雪剂时相对比较严格，融雪剂的使用量依据雪情大小、温度高低等因素严格控制。依照规定，雪情为蓝色预警级别，只许在机动车道的坡道、桥区等处视雪情撒布少量融雪剂，每平方米不超20 g。当温度极低，可先预撒融雪剂，剂量严格控制。

确定融雪剂撒布量是融雪研究的难题，相互影响的因素较多。本次试验时，先通过理论计算，再分析融雪时的气候条件、雪的状态以及长期以来该养护工区作业数据后，最后综合所有的试验因素来确定融雪剂的试验用量。

3.3.5.1 融雪剂浓度-冰点曲线图。

图1 氯化钠浓度-冰点曲线。

3.3.5.2 计算单位面积融雪剂用量

式中：Q为单位面积融雪剂用量，g/m2；M为每平方米积雪的质量，g；C为作业温度下对应浓度，根据气温从浓度-冰点曲线图中查出对应的浓度。

根据计算，并结合温度、雪状态和经验值确定本次试验融雪剂撒布基准量为40 g/m2。

3.3.6 撒布方式

3.3.6.1 均匀撒布（图2）

均匀撒布方式为通过使用融雪剂撒布车在试验区域内按照撒布的标准量进行融雪剂的均匀撒布。

其中，A=3 m，B=6 m，均匀撒布的面积 S=18 m2，融雪剂撒布量浓度等于前文确定的实验撒布量浓度40 g/m2。

图2 均匀撒布

3.3.6.2 非均匀撒布

a）点式撒布（图3） 通过人工手段在试验区域内进行点式脉冲非均匀撒布。其中，A=3 m，B=6 m，试验区域的面积S=18 m2，但实际有效撒布面积测算后为3.2 m2，实际在测算有效撒布面积内融雪剂的撒布量已经达到约225 g/m2。

图3 点式撒布

b）线性撒布（图4） 通过人工手段在试验区域内进行线性撒布。其中，A=3 m，B=6 m，试验区域的面积S=18 m2，但实际有效撒布面积测算后为6.5 m2，实际在测算有效撒布面积内融雪剂的撒布量已经达到约110 g/m2。

图4 线性撒布

c）混合线性撒布（图5） 通过人工手段在试验区域内进行混合线性撒布。其中，A=3 m，B=6 m，实验区域的面积S=18 m2，但实际有效撒布面积测算后为7.1 m2，实际在测算有效撒布面积内融雪剂的撒布量已经达到约101 g/m2。

图5 混合线性撒布

表3中归纳了上述4种撒布方式下，有效数据对比表。

表3 4种撒布方式数据对比表

3.4 试验步骤

本试验完全依照高速公路目前常用融雪剂除雪工程之客观环境（如环境温度、除雪厚度、积雪状态和道路状况等）进行，力求环境和数据的客观性及实际工程与模拟试验的可比性。

a）融雪试验开始，根据上述确定的4种撒布方式，按照试验条件中确定的撒布面积和撒布量以机械和人工方式进行撒布。

b）本次试验应在相同地点、不同时间和不同环境温度下进行2～3次，以观察其融雪效应在不同情况下的基本规律。

（a）观察和记录的主要数据，试验路段桩号、路拱坡度、环境温度、撒布形式、试验面积（A0）、融雪剂在A0上的撒布量、开始撒布时间、雪融化起始时间、雪融结束时间等。

（b）依照第一手数据进行分析，确认融雪效应的基本规律。

本次试验在实体工程中进行，同时与传统机械式均匀撒布同步完成。在试验过程中注意观察、记录和总结，最终找到其融雪效应之规律，这些规律及其对应的物理量应具有客观可比性和工程重复可现性。

3.5 试验结论和评价

通过本次试验记录的数据，绘制了分析4种撒布形式在不同时间段内融雪能力的比较（图6），直观体现出各种方式的融雪效率。

图6 不同撒布方式下融雪效果对比

从图6可以看出：

a）4种撒布方式融雪时随时间的变化，融开面积所占的试验面积的比例增多，说明4种撒布方式均为有效撒布方式。

b）4种撒布方式比较，非均匀撒布的融雪效率均高于均匀撒布，尤其在60 min左右，均匀和非均匀撒布效果区别最明显。

c）3种不同的非均匀撒布比较，50 min左右3种方式的融雪效率相当；之前，点式撒布融雪效率最好，之后，混合线性撒布的融雪效率最好。

4 结语

通过试验的结论可以看出，非均匀撒布方式的融雪效果优于均匀撒布，课题组将根据试验的结论研发以脉冲撒布为主要技术特征的融雪剂撒布车，主要以线性撒布方式和混合线性撒布方式作为撒布工艺，并通过同步撒布量控制方法，解决常见的融雪剂撒布车难以控制撒布量的不足，精确控制融雪剂的撒布量，在可比前提下较目前常用的融雪剂均匀撒布工艺提高雪融速度10%～30%，从而有效缩短道路因落雪出现的封路现象，使道路尽快实现开放通行。同时，探讨尽可能降低融雪剂撒布量的方法，降低因融雪剂撒布对道路周边环境造成的有害影响。