融雪劑非均勻撒布技術(shù)的研究

霍尚斌

（山西省交通科學(xué)研究院，山西 太原 030006）

1 問題的提出

冬季除雪是道路養(yǎng)護(hù)工程的重要任務(wù)之一。為了盡快并較為徹底地實(shí)現(xiàn)落雪清除，撒布融雪劑以降低雪的冰點(diǎn)使其由固態(tài)變?yōu)橐簯B(tài)水流出主道是目前國(guó)內(nèi)外常用的除雪方式之一。鑒于融雪劑的使用對(duì)道路周圍環(huán)境影響的弊端，盡量減少融雪劑的使用量是減輕這種影響的有效途徑，但融雪劑的減少又會(huì)延長(zhǎng)雪融時(shí)間。

目前國(guó)內(nèi)外采用的融雪劑均勻撒布工藝，即均勻撒布方法，其追求的最好效果是在每個(gè)單位面積上撒布的融雪劑數(shù)量為一常數(shù)。如本文前述，這個(gè)數(shù)量不可能很大，即數(shù)量有限。在此撒布密度下，雪融時(shí)間一般為2～3 h。如因環(huán)境溫度過低、雪的厚度和密度更大（雪的狀態(tài)改變，如壓實(shí)雪等）時(shí)雪融時(shí)間會(huì)更長(zhǎng)。顯然這個(gè)速度是比較緩慢的，要盡可能提高雪融速度，只能從其他途徑尋求辦法。山西省交通科學(xué)研究院立項(xiàng)研究的《脈沖式融雪劑撒布車研發(fā)》項(xiàng)目是尋求提高融雪速度的成功嘗試。

2 研究?jī)?nèi)容

本項(xiàng)目提出的以脈沖撒布為主要技術(shù)特征的融雪劑撒布工藝和專用機(jī)械撒布裝置將變?nèi)谘﹦┚鶆蛉霾紴槊}沖型非均勻撒布。這種新工藝實(shí)現(xiàn)落雪快速液化的技術(shù)前提主要在于下述諸點(diǎn)：

a）雪的消融速度與融雪劑在雪中所含數(shù)量成正比。因此本項(xiàng)目的應(yīng)用將使融雪劑的撒布在落雪表面形成不均勻的脈沖形撒布面，即在道路橫斷面上的路拱上段形成脈沖形的多道較濃（融雪劑含量較周圍較大和集中）的融雪劑撒布線，從而形成相對(duì)快速的雪融線，并以其雪融水對(duì)路拱下段的落雪形成沖刷的趨勢(shì)，以此完成道路的快速除雪。

b）在自然狀態(tài)下，撒布融雪劑融雪速度肯定較具有一定濃度的液化鹽水沖擊自然雪慢。

c）高等級(jí)道路的路面由內(nèi)側(cè)向外側(cè)的延伸呈2°～5°坡角，這為雪消融液化后向道路外側(cè)的流動(dòng)沖融余雪提供了自然趨勢(shì)和必要條件。

3 試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)?zāi)康?/h3>

課題組以上述的技術(shù)前提為基礎(chǔ)，用實(shí)地融雪工程試驗(yàn)，找到和確認(rèn)較佳的脈沖撒布方式及其對(duì)應(yīng)的融雪劑撒布量，其結(jié)論將作為施工工藝及專用設(shè)備的參數(shù)選擇和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的主要依據(jù)和參考。

3.2 試驗(yàn)手段和基本程序

下述試驗(yàn)應(yīng)與高速公路目前常用的機(jī)械化融雪劑除雪工程同期進(jìn)行。

a）在高速公路的典型路段，以人工手段仿真模擬除雪劑在雪地上的脈沖式不均勻撒布。

b）在整個(gè)融、除雪過程中連續(xù)不間斷觀察和記錄其除雪效應(yīng)。

c）通過對(duì)第一手?jǐn)?shù)據(jù)的深入分析，優(yōu)化和確認(rèn)較佳的脈沖撒布方式及其對(duì)應(yīng)的除雪劑撒布量。

d）對(duì)機(jī)械化融雪劑除雪工程（傳統(tǒng)工藝）的除雪效應(yīng)進(jìn)行不間斷觀察和記錄，以形成與脈沖式不均勻撒布工藝（新工藝）進(jìn)行比對(duì)的第一手?jǐn)?shù)據(jù)。

3.3 試驗(yàn)條件

3.3.1 試驗(yàn)地點(diǎn)

融雪試驗(yàn)地點(diǎn)為山西汾離高速吳城服務(wù)區(qū)匝道。該路段車流量大、氣溫寒冷，能夠代表高速公路除雪工程的完整工況。

3.3.2 試驗(yàn)溫度

氣溫是影響融雪最重要的因素，根據(jù)氣溫選擇合理的融雪劑濃度和撒布的方式，可以使融雪劑發(fā)揮最大的作用。

有研究人員認(rèn)為，當(dāng)融雪時(shí)的溫度在-10℃以上時(shí)，融雪劑的作用非常明顯。當(dāng)融雪時(shí)的溫度在-10℃～-20℃之間時(shí)，可考慮集中布鹽進(jìn)行融雪，即在一條車道上加大鹽的用量。非均勻撒布，提高部分區(qū)域的鹽分含量，以點(diǎn)帶面，融化開后，再向周邊滲化，先使一條車道達(dá)到通行效果，符合“先通后凈”的要求。當(dāng)氣溫在-20℃以下時(shí)，使用融雪劑效果極差。

我們選取的整個(gè)試驗(yàn)過程中溫度在-10℃～-18℃以上。

3.3.3 雪狀態(tài)

雪的狀態(tài)通常分為松散雪、初壓雪、壓實(shí)雪3種主要類型。如若再細(xì)化，亦可將雪的狀態(tài)分為路面結(jié)霜、路面結(jié)冰、凍雨和壓實(shí)積雪。根據(jù)雪的狀態(tài)可以選用不同的除雪方式和確定不同的融雪劑撒布量。

課題組選取的試驗(yàn)路段積雪狀態(tài)為初壓雪，且雪厚度小于等于5 mm。

3.3.4 融雪劑選擇

融雪劑的種類很多，大多數(shù)為氯鹽型、非氯鹽型和混合型。融雪劑的融雪原理，都是通過撒布融雪劑降低雪水的冰點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)融雪的目的。如果使用某類型的融雪劑時(shí)，氣溫低于該融雪劑的冰點(diǎn)，那么撒布量再大，也不會(huì)有融雪的作用。融雪劑的選擇受價(jià)格、環(huán)境保護(hù)、地域等的影響，所以在選擇融雪劑時(shí)應(yīng)充分考慮各種相關(guān)的因素。

雖然氯鹽類融雪劑的使用會(huì)破壞環(huán)境，但由于價(jià)格便宜，且融雪效果明顯，因此在國(guó)內(nèi)外道路融雪中得到了廣泛應(yīng)用。據(jù)統(tǒng)計(jì)美國(guó)每年用于冬季道路養(yǎng)護(hù)的融雪劑超過1 000萬t，其中約80%為氯鹽類融雪劑[1]。

表1是在高速公路融雪作業(yè)中常用的幾類融雪劑的冰點(diǎn)和適合作業(yè)溫度的參數(shù)。從表1可知，不同類型的融雪劑其參數(shù)各不相同[2]。

表1 融雪劑最低冰點(diǎn)和適合作業(yè)溫度 ℃

本項(xiàng)目中課題組選用的融雪劑類型為氯鹽型融雪劑，主要成分為氯化鈉。

3.3.5 確定撒布基本量（即單位面積的融雪劑用量）

在保證融雪效果和融雪效率的前提下，合理地控制融雪劑的用量，在一定程度上可以減低融雪劑對(duì)環(huán)境的危害。同時(shí)，在融雪作業(yè)時(shí)，撒布量不足或過大，或者會(huì)造成融雪效果不理想，或者造成浪費(fèi)。這也要求具體作業(yè)時(shí)必須根據(jù)當(dāng)時(shí)氣溫與積雪情況等因素科學(xué)確定融雪劑用量。

表2為國(guó)外在不同的路面條件下融雪劑使用用量標(biāo)準(zhǔn)[3]。

表2 國(guó)外不同路面條件下融雪劑用量標(biāo)準(zhǔn)

我國(guó)尚未制定融雪劑用量標(biāo)準(zhǔn)，很多省市根據(jù)實(shí)際情況確定了適合本地區(qū)的使用量。

例如，北京在使用融雪劑時(shí)相對(duì)比較嚴(yán)格，融雪劑的使用量依據(jù)雪情大小、溫度高低等因素嚴(yán)格控制。依照規(guī)定，雪情為藍(lán)色預(yù)警級(jí)別，只許在機(jī)動(dòng)車道的坡道、橋區(qū)等處視雪情撒布少量融雪劑，每平方米不超20 g。當(dāng)溫度極低，可先預(yù)撒融雪劑，劑量嚴(yán)格控制。

確定融雪劑撒布量是融雪研究的難題，相互影響的因素較多。本次試驗(yàn)時(shí)，先通過理論計(jì)算，再分析融雪時(shí)的氣候條件、雪的狀態(tài)以及長(zhǎng)期以來該養(yǎng)護(hù)工區(qū)作業(yè)數(shù)據(jù)后，最后綜合所有的試驗(yàn)因素來確定融雪劑的試驗(yàn)用量。

3.3.5.1 融雪劑濃度-冰點(diǎn)曲線圖。

圖1 氯化鈉濃度-冰點(diǎn)曲線。

3.3.5.2 計(jì)算單位面積融雪劑用量

式中：Q為單位面積融雪劑用量，g/m2；M為每平方米積雪的質(zhì)量，g；C為作業(yè)溫度下對(duì)應(yīng)濃度，根據(jù)氣溫從濃度-冰點(diǎn)曲線圖中查出對(duì)應(yīng)的濃度。

根據(jù)計(jì)算，并結(jié)合溫度、雪狀態(tài)和經(jīng)驗(yàn)值確定本次試驗(yàn)融雪劑撒布基準(zhǔn)量為40 g/m2。

3.3.6 撒布方式

3.3.6.1 均勻撒布（圖2）

均勻撒布方式為通過使用融雪劑撒布車在試驗(yàn)區(qū)域內(nèi)按照撒布的標(biāo)準(zhǔn)量進(jìn)行融雪劑的均勻撒布。

其中，A=3 m，B=6 m，均勻撒布的面積 S=18 m2，融雪劑撒布量濃度等于前文確定的實(shí)驗(yàn)撒布量濃度40 g/m2。

圖2 均勻撒布

3.3.6.2 非均勻撒布

a）點(diǎn)式撒布（圖3） 通過人工手段在試驗(yàn)區(qū)域內(nèi)進(jìn)行點(diǎn)式脈沖非均勻撒布。其中，A=3 m，B=6 m，試驗(yàn)區(qū)域的面積S=18 m2，但實(shí)際有效撒布面積測(cè)算后為3.2 m2，實(shí)際在測(cè)算有效撒布面積內(nèi)融雪劑的撒布量已經(jīng)達(dá)到約225 g/m2。

圖3 點(diǎn)式撒布

b）線性撒布（圖4） 通過人工手段在試驗(yàn)區(qū)域內(nèi)進(jìn)行線性撒布。其中，A=3 m，B=6 m，試驗(yàn)區(qū)域的面積S=18 m2，但實(shí)際有效撒布面積測(cè)算后為6.5 m2，實(shí)際在測(cè)算有效撒布面積內(nèi)融雪劑的撒布量已經(jīng)達(dá)到約110 g/m2。

圖4 線性撒布

c）混合線性撒布（圖5） 通過人工手段在試驗(yàn)區(qū)域內(nèi)進(jìn)行混合線性撒布。其中，A=3 m，B=6 m，實(shí)驗(yàn)區(qū)域的面積S=18 m2，但實(shí)際有效撒布面積測(cè)算后為7.1 m2，實(shí)際在測(cè)算有效撒布面積內(nèi)融雪劑的撒布量已經(jīng)達(dá)到約101 g/m2。

圖5 混合線性撒布

表3中歸納了上述4種撒布方式下，有效數(shù)據(jù)對(duì)比表。

表3 4種撒布方式數(shù)據(jù)對(duì)比表

3.4 試驗(yàn)步驟

本試驗(yàn)完全依照高速公路目前常用融雪劑除雪工程之客觀環(huán)境（如環(huán)境溫度、除雪厚度、積雪狀態(tài)和道路狀況等）進(jìn)行，力求環(huán)境和數(shù)據(jù)的客觀性及實(shí)際工程與模擬試驗(yàn)的可比性。

a）融雪試驗(yàn)開始，根據(jù)上述確定的4種撒布方式，按照試驗(yàn)條件中確定的撒布面積和撒布量以機(jī)械和人工方式進(jìn)行撒布。

b）本次試驗(yàn)應(yīng)在相同地點(diǎn)、不同時(shí)間和不同環(huán)境溫度下進(jìn)行2～3次，以觀察其融雪效應(yīng)在不同情況下的基本規(guī)律。

（a）觀察和記錄的主要數(shù)據(jù)，試驗(yàn)路段樁號(hào)、路拱坡度、環(huán)境溫度、撒布形式、試驗(yàn)面積（A0）、融雪劑在A0上的撒布量、開始撒布時(shí)間、雪融化起始時(shí)間、雪融結(jié)束時(shí)間等。

（b）依照第一手?jǐn)?shù)據(jù)進(jìn)行分析，確認(rèn)融雪效應(yīng)的基本規(guī)律。

本次試驗(yàn)在實(shí)體工程中進(jìn)行，同時(shí)與傳統(tǒng)機(jī)械式均勻撒布同步完成。在試驗(yàn)過程中注意觀察、記錄和總結(jié)，最終找到其融雪效應(yīng)之規(guī)律，這些規(guī)律及其對(duì)應(yīng)的物理量應(yīng)具有客觀可比性和工程重復(fù)可現(xiàn)性。

3.5 試驗(yàn)結(jié)論和評(píng)價(jià)

通過本次試驗(yàn)記錄的數(shù)據(jù)，繪制了分析4種撒布形式在不同時(shí)間段內(nèi)融雪能力的比較（圖6），直觀體現(xiàn)出各種方式的融雪效率。

圖6 不同撒布方式下融雪效果對(duì)比

從圖6可以看出：

a）4種撒布方式融雪時(shí)隨時(shí)間的變化，融開面積所占的試驗(yàn)面積的比例增多，說明4種撒布方式均為有效撒布方式。

b）4種撒布方式比較，非均勻撒布的融雪效率均高于均勻撒布，尤其在60 min左右，均勻和非均勻撒布效果區(qū)別最明顯。

c）3種不同的非均勻撒布比較，50 min左右3種方式的融雪效率相當(dāng)；之前，點(diǎn)式撒布融雪效率最好，之后，混合線性撒布的融雪效率最好。

4 結(jié)語

通過試驗(yàn)的結(jié)論可以看出，非均勻撒布方式的融雪效果優(yōu)于均勻撒布，課題組將根據(jù)試驗(yàn)的結(jié)論研發(fā)以脈沖撒布為主要技術(shù)特征的融雪劑撒布車，主要以線性撒布方式和混合線性撒布方式作為撒布工藝，并通過同步撒布量控制方法，解決常見的融雪劑撒布車難以控制撒布量的不足，精確控制融雪劑的撒布量，在可比前提下較目前常用的融雪劑均勻撒布工藝提高雪融速度10%～30%，從而有效縮短道路因落雪出現(xiàn)的封路現(xiàn)象，使道路盡快實(shí)現(xiàn)開放通行。同時(shí)，探討盡可能降低融雪劑撒布量的方法，降低因融雪劑撒布對(duì)道路周邊環(huán)境造成的有害影響。