高速路应用融雪剂的环境问题及其对策研究

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  摘 要:随着高速公路快速发展,融雪剂已对路域环境安全构成严重威胁。该文藉此对高速公路应用的融雪剂种类与特点,融雪剂的环境危害和缓解的对策与途径进行分析,希望对解决我国高速公路融雪剂的环境问题,保障高速公路的安全和可持续运行具有参考。
  关键词:高速公路 融雪剂 土壤盐碱化 环境问题
  中图分类号:U418 文献标识码:A 文章编号:1674-098X(2012)12(c)-000-02
  高速公路是我国公路运输的主要干道,2010年通车里程已达7.4万 km,位居世界第二。由于高速公路行车速度快,且冬季积雪易冻冰使路面坚硬湿滑,增加交通事故的发生概率。对于解决高速公路积雪结冰问题,一般采用物理机械清除和化学融雪剂溶解等办法。其中,化学融雪剂具有成本低、效率较高、使用便捷等特点,因而在高速公路养护上得到广泛使用。据悉,美国每年“化冰盐”的使用量可达千万吨,占盐业总产量的1/3,加拿大每年用量400~500 万t。我国从20世纪90年代开始使用融雪剂,现在每年用量呈递增趋势。如沈阳市2003-2008年融雪剂用量从6000~9000 t。2008年1月我国南方遭遇50年以来罕见冰冻灾害,期间长沙市对市区3101 万m2主干道路撤融雪剂10 d达7000 t,武汉每天融雪防冻盐500 t左右。近年来,北京市年使用融雪劑3万多t,2009年2月18~19日北京地区降雪,连夜撒融雪剂5731 t,同年11月13日降雪一次撒融雪剂
  2882 t。
  但是,融雪剂引发的环境安全问题日显重要,不仅侵蚀道路和腐蚀桥梁和车辆,而且引起绿化带土壤盐碱化和抑制植物生长,造成地下水污染。该文藉此对高速公路应用的融雪剂种类与特点,融雪剂的环境危害和缓解的对策与途径进行分析,希望对解决我国高速公路融雪剂的环境问题,保障高速公路的安全和可持续运行具有
  参考。
  1 融雪剂分类及其特点
  融雪剂按照其化学成分不同,一般分为三种类型:氯化物型融雪剂,非氯化物型融雪剂,混合型融雪剂。各类融雪具有不同的特点。
  1.1 氯化物型融雪剂
  主要成分是氯盐,包括氯化钠(NaCl)、氯化钙(CaCl2)、氯化镁(MgCl2)等。融雪原理主要是通过降低水的冰点来达到融雪效果,氯化钠溶于水后冰点在-10 ℃,氯化钙在-20 ℃左右。氯盐溶解要吸热加快积雪溶解;融雪剂溶于水后凝固点降低,使水难以再形成冰块而有利排雪;当融雪剂溶于水后,水液相蒸气压下降但冰固态蒸气压不变,蒸汽压平衡中冰便溶化了。这类融雪剂的冰点低、资源丰富、价格低廉、融雪效果好,广泛应用于公路融雪,应用比例90 %以上,对道路、环境、植物影响大。
  1.2 非氯化物型融雪剂
  以醋酸盐(如醋酸钙镁、醋酸钾)、尿素、二元醇等不含氯的物质为主。这类融雪剂冰点高、融雪效果较差、价格昂贵,如醋酸钙镁极限冰点在-10 ℃左右,同样效果下其用量是氯盐的2~3倍,使用成本是氯盐类的20~30倍。非氯盐类融雪剂中其他的物质由于贮存、处理、环保、安全等方面存在各种无法回避的缺陷,加之价格高而应用范围有限,仅在有些机场、高级停车场、别墅区域使用。据市场调查,氯化钠每吨成本25美元,氯化钙110美元,而乙酸镁钙每吨高达1200美元。
  1.3 混合型融雪剂
  以氯盐为主料,再加入阻锈剂(或缓蚀剂)形成氯盐混合型融雪剂,可分为按比例配制的人工混合物和天然混合物两种。人工混合物一般以氯化钠为主要成分,再加其他的氯化物以提高低温性能或吸湿性。如美国首先使用氯盐阻锈型融雪剂,日本曾在融雪剂里加缓蚀剂,俄罗斯的首都莫斯科使用尿素、硝酸钙和硝酸镁合成的新型融雪剂。其他用于融雪的有机物是醇类,如甲醇、乙醇等类,但易挥发、易燃等问题而被用来融雪化冰极少,更多用于防冻防结冰的是二元醇,40%乙二醇水溶液,冰点为-24 ℃,腐蚀性较小,对植物危害有限,可用作机场除冰剂,用于道路除冰雪。但作为普通路面融雪剂使用费用
  较高。
  我国从20世纪90年代初开始使用融雪剂,近年在特殊路段使用两、三种氯盐混合物,有的添加了缓蚀剂或阻锈剂等环保型融雪剂。北京市目前主要使用钙钠盐复合型融雪剂。辽宁省高速公路在桥隧、长坡等特殊路段使用了氯化钙、氯化钠、氯化镁及阻锈剂复合的融雪剂。
  2 融雪剂应用引起的环境问题
  2.1 侵蚀高速公路路面,造成路基破坏,缩短高速公路寿命
  水泥混凝土中有活性骨料,氯盐中的钠离子将促进混凝土中的碱骨料反应,使混凝土膨胀开裂,导致表面混凝土保护层脱落、钢筋外露锈蚀;融雪剂与沥青产生化学反应,大幅折减沥青材料和砂石料的握裹能力,造成沥青表面脱落,在车辆荷载作用下,形成大面积的路面破损;融雪剂中 的盐类遇水后发生的盐涨现象,则会造成路基破坏。据报道,应用NaC1融雪剂使普通公路寿命缩短1/2以上。美国氯盐融雪剂腐蚀破坏环境成本占GNP的4%(相当美国的国防开支),每年用于修复道路桥梁的费用大于2000亿美元,是初建费的
  4倍。
  2.2 腐蚀桥梁金属构件和车辆底盘及车身严重
  氯离子是一种高效活化剂,不仅对桥梁金属 构件和车辆底盘及车身腐蚀严重,而且能够在极低浓度下破坏钢筋表面的钝化膜,通过一定的环 境条件共同作用,进而引起混凝土内钢筋锈蚀。由于氯离子利于混凝土内部保持湿润,从而减小混凝土的电阻率,导致混凝土内部的钢筋加速锈蚀,严重时体积膨胀,使混凝土中钢筋处出现纵向裂缝,最终使混凝土保护层剥落,截面承载力失效。
  2.3 盐化路边绿化带土壤,烧伤绿化植物叶片,严重威胁绿化植物生长
  含氯盐融雪剂大量使用对植物伤害,一是抑制植物种子萌发,减少土壤种子库效应;二是造成土壤盐碱化和对植物形成“生理干旱”,就是植物很难吸收土壤中高盐浓度中的水分;三是破坏植物细胞膜和植物光合作用等生理过程,导致植物失绿和整体死亡。Na+、K+、CI-等离子使植物细胞内某种离子浓度增高,抑制了对一些营养元素吸收,破坏了植物细胞内部离子平衡,产生单盐毒害。当浓度大于0.2%~0.3%盐水浸入绿地,植物即会因生理性缺水导致生物量减少、叶黄、枯枝或死亡。据报道,融雪剂对公路绿化带树木植物损害高达5%~10%。北京市2004年冬季喷洒融雪剂8000 t,至2003年春季市城区近3000株行道树、5万多平米草坪和40余万株绿篱枯死,直接经济损失近1500万元;至2005年春天,约1.1万株行道树、20万m2草坪和149万余株绿篱等灌木遭重度盐害或死亡,直接经济损失3000万元。   2.4 污染土壤和水资源
  含融雪剂雪水通过各种途径进入土壤和水体,造成公路两侧土壤盐渍化、硬化、板结、贫瘠,还会导致地表及地下水污染。长期饮用被融雪剂污染的水源,容易导致高血压等多种疾患,危害人体健康。据北京市园林局调查,2005年死伤植物的土壤中和周边残雪里的含盐量严重超标,成分与融雪剂一致。
  3 缓解融雪剂环境危害的对策与途径
  3.1 制定生产融雪剂技术标准
  北欧国家均制定了法规,严格控制融雪剂的成分和使用量,美国针对普通道路和机场制定了不同融雪剂标准。我国推荐性标准《道路除冰融雪剂》(GB/T 23851-2009),突出了对融雪剂的腐蚀和污染技术指标及其控制措施的要求。2002年10月北京市出台我国首个融雪剂地方标准,特别突出融雪剂环保性能方面要求,如无令人不快的气味、对设施的腐蚀率必须低于氯化钠50%、pH值(酸碱度)适中等,另外对于融雪剂中汞、铅、砷等5种具有腐蚀性的重金属含量也做了严格界定,如融雪剂汞含量须低于0.05 mg/kg,砷和镉含量必须低于5 mg/kg,对融雪剂生产,加工和品质测控起到了约束作用。遼宁省沈阳市制定融雪剂的地方标准。
  3.2 制定和执行融雪剂的安全使用规范
  由于气候、气温、交通量、降雪量、撒布时机和方法等多因素不同,融雪剂使用过程中难免造成使用方法不当、用量过大等问题,使得使用效果不佳和造成植物伤害和环境问题。据调查,2008年1月河南省发生50年一遇的雨雪冰冻在灾害,为确保高速路运行而大面积使用融雪剂,K895-K995路段内撒盐近700 t,融雪剂覆盖路面达到0.35 kg/m2。该路段同年3~4月份,树木大面积枯萎和量死亡,经调查绿化带0~20 cm土壤含盐量达到 0.3%~0.7%,远高土壤盐渍化含盐量临界值和植物生长受抑制限制。
  因此,在保障融雪剂生产标准的同时,各地应根据实际,制定融雪剂使用的技术规范,加强融雪剂使用的监督和环境治理。实践表明,融雪剂可降低冰雪融点5~10 ℃,故-10 ℃使用效果最佳;温度偏高、阳光充足时融雪效果较好;交通量较大时车轮碾压作用 融雪效果较好;积雪厚低于2 cm 厚时融雪效果较好;杜绝把被融雪剂污染后的雪水堆积到树埯内的传统做法。有人总结提出融雪剂的适用量
  (表2)。
  3.3 开发环境友好的新型融雪剂
  研发低成本、无氯环保性的复合融雪剂是目前融雪剂研发的热点。美国DOT公司研制出CMA(醋酸钙镁)可大幅降低对钢筋的腐蚀,在美国等发达国家已逐步代替氯盐作为融雪剂,但因价格昂贵,我国很少使用。我国有人采用不同氯盐加合磷酸盐、葡萄糖酸钠、硫酸锌、硫脲、硅酸等多种缓蚀剂进行配比,研发出PSA系列融雪剂,具有冰点低(-10 ℃~-35 ℃)、融冰速率高,对碳钢、混凝土的腐蚀性小,对植物的损害小,符合相关标准要求,是可与CMA相媲美的高效环保型融雪产品。也有学者选择可生物降解的、低成本的醋酸废液(木醋液)为原料,研究制备低成本CMA类融雪剂,所得产品为低碳混合羧酸钙镁盐,其融雪温度低(最低可达- 34 ℃),融雪效率高(可达208 m3雪/g融雪剂),对金属、花草等基本无腐蚀和损害,各方面的性能均优于氯化钠等氯盐融雪剂。这也是可采用的方法之一。
  3.4 选择种植和搭配抗旱耐盐的植物
  植物在生长过程中,从土壤中吸收养分离子,也逐渐形成对土壤眼见得适应能力。按照植物分类,植物有中生植物和盐生植物。如聚盐类的盐角草,它能从土壤里吸收大量可溶性盐类,并把其积聚在体内而不受伤害,可以种植此类植物来处理融雪剂所含盐类。此外,植物产生对盐分的忍受耐力要经过一个适应锻炼过程,对逐渐上升的盐分易适应,对突然遭遇高盐环境就不能适应,可以人为的使道路两旁的植物提高抗盐能力;并且根据不同植物对土壤盐分的适应能力,合理搭配,进而提高整体绿化带植物的抗盐能力。
  3.5 改良和提高土壤抗融雪剂的能力
  土壤是生态环境的重要组成,融雪剂应用国良引起土壤盐碱化的治理措施多种,一般主要采用换土和土壤改良措施。由于高速公路绿化带的土壤深度一般在50~60 cm有限,长期收融雪剂侵害而采用更换客土较好,但工程量巨大,所以采用土壤改良方法更加结合实际。
  土壤改良措施一般采用增加有机肥,种植坑内投放土壤化学改良剂等,以此来改良土壤,控制种植坑向上反盐碱,为树木提供存活的基本条件。化学改良剂主要有石灰、石膏、磷石膏、高分子保水剂、氯化钙、硫酸亚铁、腐殖酸钙等,视土壤的性质而择用。化学改良技术一般与水利、农业等措施结合取得效果较好。土壤保水剂近年来在土壤改良中应用广泛,它是一种能吸收和保持相当于自身重量数百倍乃至数千倍水分的高分子聚合物,加入土壤后能增加土壤团聚体形成,有效提高土壤保水和改善土壤离子交换能力,增强土壤对养分的保持和植物利用,增加植物抗盐碱能力。北京首发集团与中国矿业大学(北京)等单位合作,开发研究新型的融雪剂土壤盐碱化复合改良材料,在实验研究中取得明显的效果。
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