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潮湿路面防结冰的一种物理机制
Alex Klein-Paste, Johan Waring;hlin
土木与交通工程学系,挪威科技大学Hoslash;gskoleringen 7,7491特隆赫姆，挪威
摘要
湿路面的防冰通常由防冰化学物质（例如氯化钠）降低水的凝固点的事实来解释。然而，看来，通过凝固点抑制预测的所需浓度可能是不切实际的。最近有人建议，防冰化学物质会削弱当湿路面冻结时形成的冰，并允许交通本身破坏冰块。它为湿路面的防冰提供了另一种物理机制。本文介绍了这种机制的物理基础，并提出了一个单一参数（平衡盐水分数）来预测冰是否被充分削弱。重新分析现有实验室和现场数据，以确定最小卤水分数的值，用于计算确保足够的轮胎路面摩擦所需的理论上最小化学浓度。还给出了冷冻过程的显微观察。分析结果提供了最小卤水分数的保守估计。这种盐水分数标准意味着与凝点抑制理论预测的浓度相比，需要少60％的盐。预计理论最低盐浓度不应与实际应用率混淆。实际应用率必须考虑到大量实际问题，如分散时的化学损失，稀释和温度下降，天气预报的不确定性以及犁/盐液车（时间）的循环时间。
关键字：冬季维护；冰雪控制；盐；凝固点降低。
1.绪论
路面冻结水可能会导致滑动的行驶条件，妨碍安全和有效的行驶。 防止这种情况发生的一个普遍的对策是应用化学品。公路维修工程师将这种做法称为“防结冰”（Ketcham等人，1996；Minsk，1998年）。防结冰的术语还包括降雪和路面之间的粘合剂粘合（Penn和Meyerson，1993），但本文仅专注于经受冷冻温度的湿路面。
典型的防冰化学品是氯化钠（NaCl），氯化钙（CaCl2）和氯化镁（MgCl2）或有机盐如乙酸钙镁（CMA）和甲酸钾（KCOOH）等氯化物盐。这些化学物质可以从干燥（固体）颗粒，溶于水（盐水应用）或两者（预润湿颗粒）的组合的道路表面上的盐渍车铺开。盐水也可以应用于固定系统（Ye等人，2013）。关注交通安全以及对环境和经济责任的冬季维护的要求，要求从业人员必须优化传播速度和传播频率。要安全有效地做到这一点，需要正确理解防结冰背后的物理机制。
湿路面的防冰通常由冰点抑制来解释。事实上，很多物理化学教科书通过道路防冰的例子来说明冰点的抑制。实质上，凝固点抑制是理想溶液的结合性质，这意味着它取决于溶解颗粒的浓度，而不取决于其化学成分（Atkins和de Paula，2002）。然而，在较高浓度（gt;0.5m）和非理想溶液中，颗粒的化学成分开始发挥作用（Fullerton等人，1994）。因此,道路防冰化学品的凝固点下降通常由实验确定（ASTM，2003），结果以相图展示。水中氯化钠（NaCl）的相图如图1所示。冻结曲线给出冷冻温度作为化学浓度的函数。
图1，氯化钠在水中的相图。
然而，看来，通过冷冻曲线预测的所需浓度可能是不切实际的。Murakuni（1997）报道说，日本公路公司（JH）使用不一定对应于冻结曲线的应用率。 最近，Haavasoja等人（2012）收集了现场数据，并得出结论，即使在低于-20°C的温度下，只有约3％的NaCl足以将摩擦力保持在约0.5（摩擦系数）的可接受水平。换句话说，与通过冷冻曲线预测的盐量相比，在实践中使用较少的盐。
Haavasoja等人（2012）解释了盐的存在使得冰结构更柔软的事实所需要的盐的低水平。他们在样品收集期间指出，软咸冰倾向于分解成不在轮胎下的小冰颗粒。独立地，本文作者在实验室实验中对相同的假设进行了调查，即当湿路面冻结时，盐会削弱形成的冰（Klein-Paste和Waring;hlin，2011）。从这些实验室和现场研究可以看出，湿路面的防冰不仅依赖于冰点的抑制。防结冰化学品削弱冰的概念为湿路面的防冰提供了替代的物理机制，从而为防结冰化学品的工作方式提供了新的见解。
在这篇文章中，我们描述了这种机制的物理基础，提出了可以用于计算理论上最小化学浓度的单一参数（平衡盐水分数），并重新分析现有实验室和现场数据，以确定最小卤水分数以确保充分的轮胎路面摩擦。
2.拟议机制
含有溶质的水的冻结与纯净水的冻结截然不同。达到冰点 时，水会冻结，热量被取出。在纯水中，冻结可以在开始，所有的水都可以在这个温度下冻结。这意味着一旦达到凝固点，冻结速率仅由热损失率决定。但当外来的分子溶解在水中时，这种情况就会发生变化。
由于大多数溶质在冰晶格中不被接受，它们将保留在溶液（盐水）中，直到达到共晶点（Hobbs，1974）。在海冰形成期间，通常存在大量液体体积，一部分盐被排出。因此，海冰的体积盐度低于海水的体积盐度（Nakawo和Sinha，1981Weeks，2010）。存在于冰中的盐被困在冰中的盐水袋中。在路面上，水膜非常薄（通常小于0.5毫米），这意味着没有大的液体体相可以排出防腐化学物质。结果是，一旦冷冻开始，（剩余）液态水相中的化学物质浓度迅速上升。剩余液体中较高的化学物质浓度意味着较低的凝固点。因此，冷冻过程中剩余液体的凝固点变化（Turunen，1997）。因此，防冰化学品通过在一个温度范围内拉伸冷冻来延缓冷冻过程，而不是在单一温度下固化。
溶质（防结冰化学品）的存在也影响形成的冰的微观结构。在水溶液中，晶体生长成树枝状，其中较高浓度的树枝状结晶被捕获（Ayel等人，2006）。同样在海冰中，包含盐水袋（其增加材料的孔隙率）极大地影响了微观结构（Sinha，1977），从而影响了冰的机械性能。例如，海冰的弯曲强度随着盐水体积的增加而减小（Timco和O#39;Brien，1994），断裂韧性随着孔隙率的增加而降低（Schulson和Duval，2009）。当轮胎在路面上滚动或制动时，它们同时施加压力和剪切力。自由滚动轮胎也引起剪切力，因为圆形轮胎胎面被迫符合平面路面，这是一种称为微滑的过程（Moore，1975）。有足够的防冰化学物质存在，冰将太弱，无法承受暴露的交通负荷并分解成小块。这允许轮胎达到下面的路面结构，主要通过滞后和机械联锁产生摩擦力（Clark，1971）。
因此，提出的湿路面防冰机理可概括如下：
（1）防结冰化学品会改变冻结过程中形成的冰的微结构。
（2）因此，防结冰化学品会使冰块变薄。
（3）在暴露的交通负荷下，冰将分解成小块。
（4）再曝光的路面纹理提供足够的摩擦力。
冰膜是否失效或保持完好将取决于：1）形成的冰的微观结构，2）路面的性质和3）载荷的大小。因此，可能会影响这一“失效点”的一系列参数，例如化学浓度，路面温度，冻结时间，冷冻前的超级冷却水平，路面类型（混凝土或沥青），路面质地，轮胎压力 ，轴载，车速和交通量。将所有这些参数包括在模型中以预测冰是否会失败将是非常困难的，没有什么实际价值。用有限数量的参数估计这一点是更有用的，并确保这个估计值足够保守。这意味着冰应该总是失败，而不考虑所有参数的变化。
一个有用的参数是保持未冻结的水的分数；平衡盐水分数 。在给定的温度和化学浓度下，可以从使用的防冰化学品的相图中使用等式（1）：
（1）
其中c是冷冻前水膜中溶质的初始浓度，并且与达到平衡的浓度相关。的功能由相图中的冷冻曲线（液相线）给出。
问题是应该有多大，以便足够的信心预测冰会失效，并产生足够的摩擦。 一旦确定了该最小盐度分数，就可以使用方程式（2）计算理论上最小盐浓度：
（2）
其中是路面温度。
3.实验和方法
3.1总结之前的研究
3.1.1实验室实验
已经开展了实验室实验，探讨了提出的机理，研究了使用防结冰化学物质的薄膜薄弱化（Klein-Paste和Waring;hlin，2011）。以下段落给出了实验的总结。
具有不同防冰化学浓度的薄水膜（0〜0.3mm）在-22℃至-2.5℃的温度范围内在环形沥青混凝土基材上冷冻。共使用10个可以同时冷冻的底物，以确保底物之间的均匀温度。将橡胶垫圈胶合到每个基材上，并且在垫圈顶部的不锈钢盖子阻止蒸发或升华。在衬底周围放置20mm厚的绝缘泡沫环，以防止水平热流。衬底的底部或顶部均被20毫米泡沫板绝缘。这允许向上或向下的单向热流。这个设置将分别称为顶部和底部冷却。将10个基板的整个布置放置在一个大的步入式冷实验室中，其温度控制在plusmn;0.5°C以内。冷冻装置的图示如图2。
图2，冷冻布置准备冰标本，图示：（1）沥青基材，（2）支撑板，（3）调节螺丝，（4）不干胶泡沫，（5）热电偶，（6）盖子和（ 7）垫圈。
制备NaCl和KCOOH溶液系列，浓度为0至10％的重量，增量为0.25％的重量。10个底物上的浓度以0.25％的重量的增量变化，并在不同的底物上随机化，以消除底物中的可能的系统误差。冷冻过程通常需要8至12小时，并监测温度，以确保达到冰中的热平衡。
英国摆式测试仪（Giles等人，1964）用于模拟交通的机械载荷（压缩和剪切）。释放之前，弹簧加载的橡胶块（正常载荷22 N，宽度70 mm，额定接触压力145 kPa）在冰面上滑动时，摆锤加速至约3m/s。滑动长度设定为55plusmn;5mm。每个冰样本暴露在五次通过之前，滑动轨迹的损伤被视觉评估。损伤表示为被除去的冰的百分比；25％，25-75％和75％冰的等级被分为“完好”，“部分失败”和“失败”。通常，过渡非常清楚。在大多数情况下，“完好”和“失败”之间的差异在plusmn;0.25wt％之间。图3给出了曝光后的两个样品的图示。
图3，冰样品用橡胶块暴露于五道次（NaCl，底部冷却，Ti = -6℃）。（a）来自2.0wt％溶液的冰仍然是完整的，而（b）来自2.5wt％溶液的冰失败。
NaCl和KCOOH冰层的机械试验结果如图4所示。在NaCl的情况下，在暴露的负载下冰层失效的点以asymp;0.25为中心。在顶部冷却和底部冷却之间没有发现显着差异。KCOOH冰层失效的点也以asymp;0.25为中心。
图4，NaCl和KCOOH冰层的机械试验结果见图。
3.1.2现场调查
在2006年至2010年冬季，挪威对路面上盐的寿命进行了广泛的实地研究（Lysbakken和Norem，2011；Svanekil，2009）。在这些研究中，使用SOBO20仪器测量盐的量（g/m2）。通过将高吸收性布挤压到路面并测量质量增加来测量水分量。
Haavasoja等人（2012年）提交了在芬兰获得的实地数据。在这里使用类似的方法，在盐的量的测量中进行了小的修改。吸水布用水冲洗，并在冲洗水中测量盐的量。
对于挪威现场数据，通过仅包括路面潮湿并且路面上没有积雪的测量结果进行选择。这个选择是基于文件化的视觉观察，附近气象站的天气数据和实地研究中拍摄的图像。结果166次观察。没有在一个观察中，路面经历了滑溜，交通正常。测量的NaCl浓度相对于图5a中相图中的路面温度作图。总共60个数据点位于冷冻曲线下方。芬兰现场数据绘制在图5b中。他们根据路面条件的视觉观察将他们的数据集分为两类。空心圆圈表示路面出现干燥和冰冷的观测值，而实心三角形表示易碎的湿脆的冰块，或湿润的冰块。在后者，良好的路面摩擦经历。盐水分数=0.25（在作为冰失败点的中心的实验室实验中发现）在现场数据中被指示为视觉指南。
图5，（a）挪威的实地数据；（b）芬兰的实地数据。（a）中的所有测量和（b）中的湿脆冰/湿溜冰中的所有测量中都经历了足够好的摩擦。
3.2冷冻过程的显微观察
路面上水冻结的详细视觉研究是困难的，因为只能使用散射光。这使得难以区分盐水相和冰相。因此，通过在交叉偏振光下将玻璃板上的水滴冻结来进行显微观察。由于冰的双折射性质，冰晶将显得有色。使用延迟板来增强颜色。将蒸馏水或NaCl溶液的液滴放置在冷玻璃板上，冷却一段时间。然后将小滴小心放置在显微镜下，并观察小滴时用小冰晶种子。超级冷却水平可以通过改变播种前的冷却时间来改变。
在蒸馏水滴接种后，冰晶在整个液滴中迅速出现（lt;1 s）。在这个初始的“快速冻结”之后，冷冻进程从外部向内进展较慢，最后从溶解的气体出现气泡。初始晶体似乎沿（冷）玻璃板界面进行。晶体的初始闪蒸速度的大小取决于播种前的冷却时间（更多的超冷却导致更快的闪光）。冷冻过程中的纯冰滴的一个例子已经到了结束。如图6a，不同的颜色显示不同的晶体。
图6，（a）蒸馏水和（b）1wt％NaCl溶液在-5℃下冷冻的薄冰层的微观结构示意图。
在盐水中，冰晶的初始闪光通过液滴传播得慢得多。这里传播可能需要几秒钟。冰由只剩下少量大的晶体组成，在剩余的液体中作为羽状树突生长。 盐冰比纯冰更加不透明。可以观察到围绕液滴边缘的排出流体环。 在-5℃下冷冻的1.5wt％NaCl的液滴（=0.19）如图6b所示。（注意，颜色的逐渐变化是由厚度的变化引起的，而不是晶体取向）。
液滴边缘的更详细的视图如图7所示的正常透射光。从蒸馏水中冷冻的液滴（图7a）含有颗粒和亚晶界。 液滴牢固地附着在玻璃板上，难以刮掉或者碎成碎片。盐水冰（图7b）包含许多互连的盐水通道和围绕液滴的排出的卤水环。盐水冰滴没有附着在玻璃板上，而是“漂浮”在一层薄薄的盐水上。通过与另一个玻璃板的边缘施加压力，冰本身容易破碎成小块。
图7，（a）蒸馏水中的冰含有谷物和亚晶界。（b）盐冰包括冰内的许多互连的盐水通道。注意液滴边缘上方的排出的盐水的环。
3.3．方法
参数是0和1之间的实数，它预测了逻辑结果（冰的失败或没有失效，或足够的摩擦/不足够的摩
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