1. 傳統氯鹽類除冰劑對鋼筋混凝土結構的腐蝕危害
國外經驗教訓
氯鹽類融雪劑是一把雙刃劍, 由于價格低廉,在融化冰雪的同時, 給道路、設施帶來了巨大的負面影響,特別是腐蝕危害。氯鹽類融雪劑(NaCl、CaCl2、MgCl2 等)的腐蝕性能是相似的, 都具有強腐蝕性。早期西方國家在路橋上大量使用氯鹽化冰雪之后,陸續出現(使用5-15年內)以鋼筋腐蝕為主要特征的破壞現象。1981年美國50萬座橋中,有1/4受到腐蝕破壞;1993年, 受到腐蝕破壞的橋梁超過1/2, 有40%已承載力不足, 近年來美國僅橋梁修復費已高達1550億美元。在加拿大大面積使用化冰鹽, 基礎設施的腐蝕破壞特別突出。如修復所有被腐蝕破壞的基礎設施, 其費用要超過5000億美元。英國也有受化冰鹽危害的典型事例, 如1972年,在長20km的高速公路路段上建了11座橋, 由于采用氯鹽類融雪劑, 幾年后就出現混凝土順鋼筋開裂,其15年的修復費已是建橋費的1.6倍, 到2004年, 累計修復費達到建橋費的6倍。德國柏林市某座大型立交橋, 由于使用氯鹽融雪劑, 使用年限不足20年, 鋼筋腐蝕破壞嚴重,不得不在其旁邊另建一座新立交橋。以丹麥的哥本哈根地區為例, 調查了102座橋,其中,50%的橋有嚴重的鋼筋腐蝕破壞, 其主導原因是使用了氯鹽化冰鹽。
混凝土耐久性是當今世界的大問題,鋼筋混凝土結構依然是工程結構的主體,特別是大型公共基礎設施,鋼筋混凝土是主要材料與結構形式,而基礎設施是國家的經濟命脈,其耐久性問題,足以影響國民經濟與可持續發展。世界著名專家梅塔教授指出:“鋼筋腐蝕是鋼筋混凝土結構破壞的主要原因”,而氯鹽又是鋼筋遭受腐蝕的主因。
我國目前融雪劑( 化冰鹽) 使用狀況
目前, 我國大量使用的仍為氯鹽類融雪劑(早期大都使用氯化鈉, 近來也使用氯化鈣、氯化鎂等) 。北京原西直門立交橋1979年建成并投入使用, 使用期不到20年已須重建。除去先天因素( 設計、施工質量等) , 就環境影響而言, 撒氯鹽類融雪劑所造成的鋼筋腐蝕與混凝土凍融破壞, 是路橋過早破壞的主要因素。除北京外, 天津等城市的路、橋也已經出現同樣的情況。在我國北方地區高速公路、橋梁等均有氯鹽腐蝕破壞的現象。事實上, 凡撒氯鹽頻率高的橋梁, 隨著時間的推移, 都出現不同程度的腐蝕破壞情況。此外, 撒氯鹽還腐蝕地下管線、周邊建筑,污染環境等。
2.有機融雪劑的出現與性能比較優勢
美國、歐洲等西方國家在融雪劑的開發和使用方面一直保持領先地位,陸續推出了系列有機融雪劑并逐步代替“氯鹽”,廣泛運用在機場、高速路等交通場所,在減少氯鹽融雪劑使用,充分保障交通高效安全運行方面,取得了十分顯著的成效。主要品種包括醋酸鈣鎂,生物有機質,醇類物質(乙二醇、丙二醇等),羧酸鹽系列(甲酸鈉、甲酸鉀、乙酸鈉、乙酸鉀、乳酸鉀等),尿素等。目前,該系列有機融雪劑的使用,在我國已經逐漸開始得到部分推廣和實施。
有機融雪劑體現出不同的優勢互補性質,其主要性能如下表1所示。
表 1
種 類 |
使用溫度 |
優 勢 |
不足之處 |
使用情況 |
氯鹽類(NaCl,CaCl2, MgCl2等) |
-15℃~ -20℃ |
價格便宜 |
腐蝕嚴重,尤其對鋼筋混凝土結構腐蝕 |
只適用于對安全系數要求很低的低端市場 |
醋酸鈣鎂(CMA) |
-15℃~ -20℃ |
腐蝕性較小 |
固體使用,顆粒強度低,容易起粉塵;價格昂貴 |
一般場所 |
生物有機質(如市面流行秸稈轉化液等生態環保除冰液) |
-15℃~ -25℃ |
腐蝕性小
|
價格高;多為液體使用,容易使路面濕滑。噴施后易流失,除冰保持時間短;化學耗氧量高,排放到水體會導致水生物缺氧 |
適用于一般場所 |
乙二醇 |
-40℃ |
腐蝕性小 |
有毒性 |
已經開始禁止使用 |
丙二醇 |
-40℃ |
腐蝕性小 |
液體使用,容易使路面濕滑;噴施后易流失,除冰保持時間短;化學耗氧量高,排放到水體會導致水生物缺氧;價格高 |
道面較少使用 |
甲酸鈉 |
-15℃~ -20℃ |
腐蝕性??;價格適中;可單獨固體使用,或與液體除冰劑搭配使用,效果更佳。 |
不適用高寒地區 |
適用范圍廣,如高速路和機場等 |
醋酸鈉 |
-15℃~ -20℃ |
腐蝕性小 |
不適用高寒地區;價格偏高 |
高速路和機場等 |
甲酸鉀 |
-30℃ |
腐蝕性小 |
單獨液體使用,容易使路面濕滑;噴施后易流失,除冰保持時間短;價格較高 |
主要使用于機場 |
醋酸鉀 |
-30℃ |
腐蝕性小 |
單獨液體使用,容易使路面濕滑;噴施后易流失,除冰保持時間短;價格高 |
主要使用于機場 |
尿素 |
-15℃~ -20℃ |
腐蝕性小 |
含氮量高,造成水體富營養化 |
高速路、機場使用,但已逐漸淘汰 |
說明:上表中,甲酸鹽融雪劑綜合性能十分突出,國外已經廣泛使用。
3.甲酸鹽除冰劑與傳統氯鹽除冰劑對鋼鐵的腐蝕測試比較
FY-01甲酸鹽融雪劑是有機融雪劑中的一種,以甲酸鹽為主要成分、添加多種助劑的除冰劑,其融冰速度快,化冰能力強,僅就對鋼筋混凝土結構的腐蝕性方面,相對于氯鹽有顯著的不同。按照GB/T23851-2009 道路除冰融雪劑(國標)對FY-01融雪劑與氯鹽對鋼鐵的腐蝕進行了測試,將20#碳鋼試片放在除冰劑溶液中40℃下連續浸泡48小時, 測試結果(表2)與鋼鐵腐蝕圖片1~4比較如下:
碳鋼在融雪劑溶液中腐蝕試驗測試結果表2
品 種 |
碳鋼腐蝕率(mm/a) |
||
指 標 值 |
測試結果 |
現 象 |
|
FY-01甲酸鹽除冰劑 |
0.1 |
0.02 |
碳鋼試片在FY-01甲酸鹽除冰劑溶液中連續浸泡48小時后,基本光亮如新 |
氯鹽除冰劑 |
0.11 |
碳鋼試片在氯鹽溶液中連續浸泡48小時后,出現大量鐵銹,試片腐蝕嚴重 |
圖1 剛放入氯鹽融雪劑溶液中的20#碳鋼試片
圖2 在氯鹽融雪劑溶液中48小時浸泡后的20#碳鋼試片
圖3 剛放入FY-01融雪劑溶液中的20#碳鋼試片
圖4 在FY-01融雪劑溶液中48小時浸泡后的20#碳鋼試片
4.幾種除冰劑對路面水泥混凝土影響測試比較
融雪劑投放到路面對水泥混凝土的腐蝕是其性能考核的一個關鍵點。下面圖表3是按照美國標準SHRP H205-8 測試方法對幾種除冰劑對路面水泥混凝土腐蝕進行測試,由此繪出的比較圖表。該測試方法是美國《公路戰略計劃(Strategic Highway Research Program, SHRP》所制定的國際通用方法。通過此圖表可以發現甲酸鈉(鉀)和醋酸鈉對水泥的腐蝕率只有氯化鈉的1/3大小,而醋酸鉀比氯化鈉還要略高一點。
圖表3
按照美國標準SHRP H205-8 測試方法測試幾種除冰劑對路面水泥混凝土腐蝕率
5.融雪劑的發展方向
融雪劑應該對公路、橋梁、機場道路等建筑物的鋼筋混凝土腐蝕更小,同時對車輛、道路設施腐蝕更低,對環境、植被的破壞極低,具有低化學耗氧量和低生物耗氧量、低水體生物毒性等特性。美國SAE-AMS-1431D標準全面考慮了融雪劑對環境、金屬材料和飛機材料方面的要求 ,世界各國紛紛以它作機場融雪劑選用標準。
(1)氯鹽融雪劑價格低廉,對鋼筋混凝土腐蝕厲害,對橋梁、高速路等造成很大破壞,已受到社會廣泛關注,被淘汰是一種必然趨勢。
(2)有機鹽融雪劑腐蝕性小、品種多、價格偏差大,不同類型適應不同場所:甲酸鉀、醋酸鉀價格昂貴,主要用在機場液態噴灑除冰;乙二醇丙二醇主要用于飛機機身除冰;生物有機質排放到水體會導致水生生物缺氧,不宜大量使用。尿素含氮高,易導致水體富營養化,已很少使用。
(3))FY-01融雪劑是以甲酸鹽為主成分、添加其它助劑的融雪劑,符合美國SAE-AMS-1431D的所有要求,性價比較高,是目前機場道路、高速路、橋梁、鐵路等融雪除冰的首選。