天下雪,路结冰,撒盐保平安



撒盐就是撒安全:道路保养卡车撒盐,保障行车安全。

原文链接:A salty safety solution
原作者:Johan Wåhlin 和 Alex Klein-Paste,挪威科技大学研究人员

雪下了一周。周六你来到挪威山上的滑雪场,阳光明媚,凉风扑面,一个周末,惬意滑雪。周日下午,天气回暖,你也要驱车回家,穿行在郁郁山林覆盖的群山。天下起雨来。来时,路上有斑斑块块的雪,开车多轻松,而这时的路结满了冰,车轮行其上,连连打滑,险象环生。

尽管你的车装备着防滑钉的轮胎,让车轮抓住地面,也并非易事,一不小心就可能失控,滑入深渊,撞向大树,或是追尾。你的心提到嗓子眼,你的手紧握方向盘,你的眼睛瞪如铃。

终于,熬出来了,你上了干线公路。山间滑如玻璃的路,变成了黑油油的柏油路,路上没有水,没有雪,也没有冰。为什么会这样?你看到对面开来的路政养护卡车,边行边撒盐,你就知道原因了。那么,盐对路面上的冰雪到底做了什么?为什么可以将危险的高速公路转化为安全的路面?

矿物堆

盐——学术术语叫氯化钠——是最常见的提高结冰路面上汽车抓地能力的材料,是许多国家在冬季维护路政的宝贵工具。在挪威,平均每年要往路上撒25万吨盐,而美国要撒1700万吨盐,英国要撒200万吨盐。气温在零摄氏度上下波动,路面车流量大(每天超过1500辆车),这样的情况下,撒盐化冰的效率尤其高。

撒盐作业人员应密切注意天气预报,可以路面结冰提前撒盐,也可以结冰后撒盐,使撒盐可以发挥三种功能:防结冰、防雪被压实、去冰。

在挪威,公路管理局不直接做公路维护的工作,而是外包给承包商。承包商工作人要密切关注天气预报,根据天气情况,决定是结冰前撒盐还是结冰后撒盐。相应地,不同作业方式对应三种目的:防结冰、防雪被压实、去冰。

撒盐防结冰,适用条件是,路面潮湿,气温将降至0℃以下,或是空气湿度大,路面温度低,即将结霜。



盐,撒还是不撒?

在降雪前或降雪过程中撒盐,目的不是化雪,而是预防雪被压实,冻上之后,难以清除。可防冰被压实。作业人员在降雪还不是太多的时候把盐撒下,掺了盐的雪内聚力较低,比较容易被车辆粘走或被除雪机除去。

如果路面已经结冰,可用盐去冰。应尽量避免到这一步,因为这说明防结冰和防雪被压实的作业失败,危险路面已经形成。去冰是控制危险状况的补救措施。

去冰能力来自混乱度

路面撒盐原理是什么?直接的答案是,盐溶解于水,熵增大,因此可降低冰点。熵——常被不严格地称为混沌——描述物质的混乱度。盐水中可能的几何构型要比纯水中的几何构型多的多, 因此盐水更无序。(本博注:英语世界确实有将熵和混沌看做同义词的情况,其实二者完全不同。)世界倾向于向高熵状态演化,因此,更无序的相(如液相)相对其他相(如水蒸气、冰)更有可能存在。(本博注:水蒸气是比液相更无序的相,但出现大量水蒸气需要较高的温度)因此,要结冰就要更低的温度。撒的冰越多,冰点降得就越低。对于大部分除冰剂,浓度与冰点之间的关系已经在实验上确定出来了。

这就是盐的威力背后的关键机制,但这并不能解释一切。比如防结冰,即阻止水结冰。好像是挺简单的事,多撒盐,使路面上的水中的盐浓度高高的, 使冰点降到路面上可能的最低温度之下。事实是,只需要化冰所需盐量的40%。为什么差这么多?原因是盐改变了水结冰的方式。

我们上学的时候都学过,温度达到0℃时,液体水将凝固为固体冰。总体来说,这是对的(除了没说相变内在的复杂性):冰箱里放一碟水,片刻之后,液体水没有了,只有固体冰。这很简单。而盐水在冰点(低于0℃) 并不会完全变成冰,而是固液共存,且固体里没有盐。

这是因为,冰的晶格对水分子的几何分布方式要求非常严格,没有盐离子容身之处。冰晶格是分层六边形。外来离子只有两个地方可以呆,六边形中心,或两层之间。但是,$\mathrm{Na}^+$ 和 $\mathrm{Cl}^-$ 都太大,两个地方都呆不下。结果,只能有一部分水结成冰,呆在剩余的水里的盐不受影响。 剩下的盐溶液浓度更大,冰点更低,因此不再结冰。即最后你得到冰和盐水。如果温度更低,会得到更多的冰,但总是有水存在。如果温度低到盐水混合物的共晶温度之下,盐水溶液不稳定,盐也将要结晶,水将全部结晶。氯化钠和水的共晶温度是 –21 °C。

盐溶液中结出的冰,微观上的形貌像树枝,纯水里结出的冰见不到这样的形貌。这样的“树状针”强度较弱,容易被路上的车辆破坏。只有当超过60%的盐溶液都结成冰,冰的强度才会比较大,对交通构成威胁。



冰晶

撒盐的雪团不成球

雪上撒盐如何防雪被压实?最核心的原因还是降低冰点,但这个机制不能解释所有事情。盐将雪融化,原因前面已经说过,盐水比冰的熵要大,水更乐意呆在液相,而不是冰中。但是要把下的雪都化掉,所需的盐要比实际撒的盐要多得多。

实际上,盐只要化掉一小部分雪,得到的盐水会改变雪的力学性质。要理解这个事,我们可以先聊聊雪球。“湿”雪——温度接近熔点(0 °C)的雪——粘接在一起的速度很快,形成强度比较大的雪球,可以在空中投掷。雪发生的这个过程叫做烧结,雪里的冰晶结合在一起。平面状的雪花各个瓣内部几乎没有什么空间,只有雪表面积很大,表面能很高,而这在热力学上是不稳定的。 温度接近熔点的时候,冰里面的分子移动能力比较大,因此分子可以从高能位置(雪花瓣处)跑到低能位置(晶体接触点)。雪晶因此结合在一起,此即“烧结”,使雪强度大增。

盐水与纯水非常不一样。如果雪上有盐水,你做不出完美的雪球,雪晶不会粘接在一起,雪行为类似一堆珠子。内在原因,现在依然没有全面搞懂,科学家认为溶解的盐可能可能与冰表面的水分子结合了,阻止了这些水分子与其他冰晶的水分子相结合。因此,我们只需要融化降雪的20%就够了,其余的雪可以轻易除去。



雪还是盐

路上的水已经结成冰了,可以用盐去冰。去冰就是用盐融冰。冰不会无限融下去。融化出的液态水将盐溶液稀释,使盐溶液的冰点升高,当冰点与路面温度相同时,冰就不再继续融化了”。

我们用单位质量去冰剂所能融化的冰的质量表征去冰剂的融冰能力。气温越低,去冰剂融冰能力越低。一般情况下,实施去冰作业的时候,路面已经比较滑了,因此去冰不仅要关心去冰能力,还要关心去冰速率。有许多盐比氯化钠去冰效率更高,如氯化镁、氯化钙等。有些国家,如美国,当气温非常低时,会用这些化合物去冰。

好盐,坏盐

盐也有副作用。盐腐蚀裸露的金属,损害机动车辆和路边设施,如标志牌、路障等。盐还危害路边植被,污染淡水水源。

因此,不能过量用盐,还要系统性地减少盐与外界的相互作用。在挪威,撒盐是精细活,盐量要根据道路重要性、用法、天气状况等来确定。挪威有13000公里公路,约占整个公路网的1/7,要保证整个冬季完全无雪无冰。这些公路是挪威最重要的公路,平均每天车流量是1500-80000。作业措施通常就是撒盐或是除雪机。车流量较少的公路,天气较温和时,保证地面无雪无冰,只在气温在0℃上下时撒盐,气温更低的话,将不撒盐,天气较冷时,可以让路面结一层冰。 其余的公路,整个冬季路面有一层雪或冰,只在冬季初、末时撒盐,用除雪机保证雪/冰层不能过厚,撒沙子等使路面不要太滑。当然,也有些降雪量大的国家,气温比挪威稍高,所有的道路都撒盐。

特隆霍姆挪威科技大学我们的课题组的研究课题就是要保证道路安全需要多少盐。完成这个课题,需要搞清楚不同目的下盐发挥作用的基础物理机制。比如,我们正在做的一个问题就是,要充分保证雪不被压实,最少需要多少盐,盐对白霜的形成起到什么样的作用。搞清楚盐的工作原理只是众多难题中的一个而已。盐只有撒在路面上才会起作用,如果跑到了路边沟里就没什么作用了。糟糕的是,车流轻易可以把盐吹溅到路面之外,因此“冬季路政维护”领域另一重要课题是开发使盐和其他除冰剂在路上呆的时间更长的方法,改进模型,使对除冰剂作用寿命预言更准确。

这些研究工作的目标是,在尽可能不降低道路安全性条件下,找到最优撒盐作业方式,确定盐或其他去冰剂的适度用量。如果完成这一目标,意味着冰滑路上的危险旅程将大幅减少,周末滑雪之旅将更为轻松惬意。

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