查湘義

(遼寧省交通高等?？茖W(xué)校建筑工程系，遼寧沈陽(yáng)，110122)

隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人們生活水平的提高，城市規(guī)模的不斷擴(kuò)大，冬季降雪對(duì)城市道路交通的影響越來(lái)越突出，使用融雪劑除雪已是我國(guó)冬季除雪的重要手段之一。傳統(tǒng)型融雪劑的主要成分是以工業(yè)鹽氯化鈉為主的化冰鹽融雪劑，其優(yōu)點(diǎn)在于價(jià)格低廉、融雪效果好，但是冰雪消融后隨之帶來(lái)的環(huán)境破壞問題也日益顯現(xiàn)。大量融雪劑使用已造成橋梁、混凝土結(jié)構(gòu)中的鋼筋出現(xiàn)大量銹蝕破壞，如在北歐丹麥的哥本哈根地區(qū)調(diào)查了102座橋，其中50%的橋梁出現(xiàn)了嚴(yán)重的腐蝕。我國(guó)天津一些立交橋，出現(xiàn)橋梁邊梁大面積堿化，帽梁混凝土剝落而使鋼筋銹蝕的現(xiàn)象。哈大公路，建成投入使用僅5年，鋼筋混凝土就出現(xiàn)了順筋脹裂，層裂或剝落［1－4］。

與氯化鈉融雪劑相比，醋酸鈣鎂鹽(CMA)融雪劑具有腐蝕性低、植物傷害小、可生物降解等優(yōu)點(diǎn)，但原料價(jià)格高，成本昂貴，制約了其推廣應(yīng)用［5－6］。為了降低CMA融雪劑的生產(chǎn)成本，加大農(nóng)作物秸稈等生物質(zhì)的廢物利用，試驗(yàn)以生物質(zhì)為主要原料，通過(guò)水熱反應(yīng)，生產(chǎn)CMA環(huán)保型融雪劑，并測(cè)試其對(duì)碳鋼的腐蝕影響［7－9］。

1 實(shí)驗(yàn)材料及方法

1.1 CMA 融雪劑制備

將自來(lái)水和生物質(zhì)及氧化鈣或氧化鎂固體粉末按一定的固液比加入到反應(yīng)釜中(如圖1)，待固體粉末充分溶脹后，密封反應(yīng)釜。將反應(yīng)釜通電，待溫度上升至200℃左右，保持2～4小時(shí)，然后停止加熱，待反應(yīng)釜冷卻至室溫后，擰松放氣閥放氣后慢慢打開反應(yīng)釜，將產(chǎn)物進(jìn)行離心過(guò)濾。反應(yīng)產(chǎn)物經(jīng)離心過(guò)濾得到液相產(chǎn)物和固相產(chǎn)物。液相產(chǎn)物用脫色劑脫色過(guò)濾得到無(wú)色或淡黃色溶液，即為CMA融雪劑溶液，將溶液蒸發(fā)結(jié)晶即得到固體CMA產(chǎn)品［10－12］，如圖 2 所示。

圖1 水熱反應(yīng)釜Fig.1 Hydrothermal reaction kettle

圖2 結(jié)晶后的CMA產(chǎn)品Fig.2 Product of CMA after crystallization

1.2 碳鋼腐蝕率測(cè)試

本實(shí)驗(yàn)分別采用20g/L、35g/L、50g/L和200g/L濃度的氯化鈉和CMA溶液，測(cè)定四種濃度下溶液對(duì)金屬碳鋼的腐蝕程度，同時(shí)測(cè)定200 g/L濃度下氯化鎂，硝酸鎂，氯化鈣融雪劑對(duì)金屬碳鋼的腐蝕率，并進(jìn)行對(duì)比分析。碳鋼腐蝕率測(cè)試為實(shí)驗(yàn)室自制的實(shí)驗(yàn)裝置，如圖3所示。實(shí)驗(yàn)試劑主要為融雪劑、乙醇、丙酮、氫氧化鈉溶液(60g/L)，酸洗液(1000mL)，鹽酸溶液(鹽酸與水的體積比為1∶4)中，加入8g六次甲基四胺，溶解后混勻。具體步驟如下所示:

(1)將碳鋼試片上的防銹油脂用濾紙擦拭干凈，然后分別在丙酮和無(wú)水乙醇中用脫脂棉擦洗，置于干凈濾紙上;

(2)將碳鋼試片上的殘留液用濾紙吸干，然后置于干燥器中干燥4h以上，稱量后保存在干燥器中備用;

(3)在燒杯中加入融雪劑溶液，置于恒溫水浴中。待溶液達(dá)到指定溫度40℃時(shí)，掛入碳鋼試片，在燒杯外壁與液面同一水平上劃線。啟動(dòng)電動(dòng)機(jī)，使攪拌器攪動(dòng)，調(diào)節(jié)攪拌漿的轉(zhuǎn)速在100r/min～200r/min之間，開始計(jì)時(shí)。

(4)實(shí)驗(yàn)溶液中不通入空氣，1－2h補(bǔ)水一次，使液面保持在刻度線處。當(dāng)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間達(dá)到指定值48h，停止轉(zhuǎn)動(dòng)，取出試片進(jìn)行外觀觀察和記錄。

(5)將試片用毛刷刷洗干凈，然后在酸洗液中浸泡3－5min取出，用自來(lái)水沖洗后立即浸入氫氧化鈉溶液中約30s，取出，用蒸餾水沖洗，用濾紙擦拭并吸干，在無(wú)水乙醇中浸泡約3min，然后放在干凈濾紙上用濾紙吸干，置于干燥器中4h以上，稱量。同時(shí)做試片的酸洗空白試驗(yàn)。

(6)對(duì)酸洗后的試片進(jìn)行外觀觀察并記錄，腐蝕率以mm/a表示，按下式計(jì)算:

式中:m—試片的質(zhì)量損失，g;

m0—試片酸洗空白試驗(yàn)的質(zhì)量損失平均值，g;

s—試片的表面積，cm2;

ρ—試片的密度，g/cm3;

t—試驗(yàn)時(shí)間，h(本實(shí)驗(yàn)為48h);

8760—與1年相等的小時(shí)數(shù)，h/a;

10—與1cm相等的毫米數(shù)，mm/cm。

圖3 碳鋼腐蝕率測(cè)試實(shí)驗(yàn)裝置Fig.3 Test apparatus for corrosion rate of carbon steel

2 試驗(yàn)結(jié)果及討論

所用碳鋼試片的表面積為28cm2，密度為7.84g/cm3，酸洗空白試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 酸洗空白試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果Table 1 Acid cleaning blank test results

通過(guò)實(shí)驗(yàn)得出的碳鋼試片經(jīng)融雪劑浸泡后的質(zhì)量損失和酸洗空白的質(zhì)量損失(表1)，然后再依據(jù)腐蝕率計(jì)算公式，計(jì)算出不同濃度融雪劑對(duì)碳鋼的腐蝕率。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，200g/L 氯化鈉、200g/LCMA 對(duì)碳鋼的腐蝕率分別為 0.447mm/a、0.088mm/a，CMA 比氯化鈉腐蝕率降低80%;50g/L氯化鈉、50g/LCMA對(duì)碳鋼的腐蝕率分別為0.773mm/a、0.189mm/a，CMA比氯化鈉腐蝕率降低75%;35g/L氯化鈉、35g/LCMA對(duì)碳鋼的腐蝕率分別為 0.690mm/a、0.302mm/a，CMA 比氯化鈉腐蝕率降低 56%;20g/L 氯化鈉、20g/LCMA 對(duì)碳鋼的腐蝕率分別為0.585mm/a、0.237mm/a，CMA比氯化鈉腐蝕率降低59%。氯化鈉表現(xiàn)出的高腐蝕性原因在于Cl－的腐蝕性，Cl－一方面會(huì)破壞碳鋼表面的鈍化膜，使Cl－順利進(jìn)入金屬界面形成電位差，加快了腐蝕的進(jìn)程;另一方面當(dāng)Cl－在金屬表面腐蝕形成“蝕坑”后，鐵基體在電介質(zhì)作用下失去電子成為Fe2+，Cl－會(huì)參與“搬運(yùn)”Fe2+而本身并不被消耗，從而形成重復(fù)腐蝕的過(guò)程［13］。兩種融雪劑在不同濃度下對(duì)碳鋼腐蝕程度的比較見圖4所示。

圖4 不同濃度下的氯化鈉與CMA碳鋼腐蝕率Fig.4 Corrosion rate of carbon steel at different concentration of sodium chloride and CMA

從以上結(jié)果可知，不同濃度融雪劑溶液對(duì)碳鋼的腐蝕率存在較大的差異，不同種類的融雪劑對(duì)碳鋼的腐蝕率也存在較大的差異。對(duì)氯化鈉融雪劑來(lái)說(shuō)，隨著濃度的增大，對(duì)碳鋼的腐蝕率先增大后減小，在濃度為50g/L時(shí)對(duì)碳鋼的腐蝕率達(dá)到最大;對(duì)CMA融雪劑來(lái)說(shuō)，隨著濃度的增大，腐蝕率也是先增大后減小，在濃度為35g/L時(shí)對(duì)碳鋼的腐蝕率達(dá)到最大。CMA對(duì)碳鋼的腐蝕率總是低于氯化鈉，且隨著濃度的增大，差距越來(lái)越明顯。氯化鈉腐蝕率最大為0.773mm/a，最小為0.447mm/a;CMA腐蝕率最大為0.302mm/a，最小為0.088mm/a。

使用同樣的方法對(duì)氯化鎂、氯化鈣、硝酸鎂等融雪劑碳鋼腐蝕率進(jìn)行了測(cè)定，對(duì)比結(jié)果如表2所示，腐蝕后碳鋼如圖5所示。

表2 不同融雪劑碳鋼腐蝕率對(duì)比Table 2 Comparison of carbon steel corrosion by different snowmelt agent

圖5 不同融雪劑濃度下的碳鋼腐蝕后圖片F(xiàn)ig.5 Corrosion pictures of carbon steel at different concentration of snowmelt agent

從以上結(jié)果可知，在200g/L濃度下，各種融雪劑溶液對(duì)碳鋼的腐蝕情況差異較大，從腐蝕率數(shù)值上來(lái)看，氯化鈉的腐蝕率最大，為 0.447mm/a，CMA的腐蝕率最小，為0.088mm/a，從大到小排序?yàn)?氯化鈉＞硝酸鎂＞氯化鈣＞氯化鎂＞CMA，只有CMA對(duì)碳鋼的腐蝕率符合標(biāo)準(zhǔn)要求(標(biāo)準(zhǔn)要求為≤0.18mm/a)。從表面外觀來(lái)看，氯化鈉、氯化鎂、氯化鈣都不同程度受到腐蝕，出現(xiàn)凹凸不平的腐蝕痕跡，而CMA浸泡后的碳鋼試片表面光亮，沒有腐蝕的痕跡。

3 結(jié)論

(1)實(shí)驗(yàn)所用融雪劑對(duì)金屬碳鋼具有一定的腐蝕性，且隨融雪劑性質(zhì)和濃度的不同而有較大的差別。CMA融雪劑在濃度為200g/L時(shí)所測(cè)得的腐蝕率滿足遼寧省地方標(biāo)準(zhǔn)《融雪劑質(zhì)量與使用技術(shù)規(guī)程》DB21/T1558－2007中規(guī)定的腐蝕率不大于0.18mm/a的要求。

(2)分別對(duì)濃度均為200g/L時(shí)，氯化鈉、氯化鈣、氯化鎂、硝酸鎂、CMA等融雪劑溶液的碳鋼腐蝕率進(jìn)行了測(cè)定，得出了不同融雪劑對(duì)金屬碳鋼的腐蝕程度。按照腐蝕率由大到小的順序排序，氯化鈉＞硝酸鎂＞氯化鈣＞氯化鎂＞CMA，以CMA腐蝕率為基準(zhǔn)，氯化鈉、氯化鈣、氯化鎂、硝酸鎂的腐蝕率分別是其5.08倍、3.74倍、3.32倍、3.75倍，可見氯鹽類融雪劑對(duì)金屬的腐蝕比CMA融雪劑嚴(yán)重。從外觀上來(lái)看，氯鹽類融雪劑具有明顯的腐蝕痕跡，而受CMA溶液浸泡的碳鋼表面光亮，沒有腐蝕痕跡。

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