融雪劑對高速公路的危害

劉海濤

(河北路橋集團)

1 我國公路情況簡介

我國目前橋涵結構多數采用混凝土結構,橋面上采用瀝青面層或混凝土面層。路面多數為瀝青路面和混凝土路面。氯鹽滲透到混凝土中,會促進混凝土的凍融。最主要的破壞作用是對鋼筋的腐蝕。當氯離子到達鋼筋表面并超過一定量(臨界值)時,原來處于鈍化狀態的鋼筋,就會活化、腐蝕。銹蝕產物的體積會膨脹 2～6倍,使混凝土保護層發生順鋼筋開裂、脫落的狀況,導致結構承載力下降或喪失。鹽類對水泥混凝土路面,尤其是瀝青混凝土路面同樣也存在危害,鹽類物質與瀝青相互作用,大大減小瀝青材料與沙石料的黏合能力,造成瀝青表面脫落,在行車荷載的作用下大面積路面破損。

目前我國混凝土防腐主要考慮地下水和地表水中鹽分的腐蝕,對暴露地上的的結構采用的防腐處理還相對不足。主要在混凝土中加入防腐劑或采用防腐水泥和石材進行處理,但應用較少。并且針對由融雪劑造成的病害而采用的措施較少,而近年由融雪劑造成的結構破壞情況較多。

2 融雪劑原理

目前不論國外還是國內,高速公路除雪使用的融雪劑主要是氯鹽類融雪劑,包括氯化鈉、氯化鈣、氯化鎂、氯化鉀等,通稱作“化冰鹽”。

融雪原理是通過降低水的冰點來達到融雪效果。比如,向 100g冰或雪中加入 33g氯化鈉可以使冰點降為低于-21℃,也就是說,平時在 0℃就開始結冰的水,現在在-20℃的環境中也不會結冰。如果用氯化鈣代替氯化鈉,降低冰點的效果更加顯著。氯鹽類融雪劑的除雪作用有兩點,除了鹽類的溶解吸熱以外,還有一個作用就是鹽水的凝固點較低,因此在雪水中溶解了鹽之后就難以再形成冰塊,從而有利于排雪。雪融劑溶于水后,水中離子濃度上升,使水的液相蒸氣壓下降,但冰的固態蒸氣壓不變.為達到冰水混和物固液蒸氣壓等的狀態,冰便溶化了。氯鹽類融雪劑的優點是便宜,價格僅相當于有機類融雪劑的 1/10,但它對大型公共基礎設施的腐蝕是很嚴重的。

3 融雪劑病害特征

3.1 灑除冰鹽對混凝土的剝蝕破壞特征

從混凝土鹽凍破壞試驗來看,除冰鹽導致混凝土表現剝落破壞的特征主要表現如下幾個方面。

(1)表面裂紋擴展迅速,破壞速度加快,一般情況下,耐水凍破壞 100次凍融循環的普通混凝土,耐鹽凍不到 20次,且表面均成斑狀剝落。

(2)破壞逐層發展,暴露骨料。經過 10次左右凍融循環的普通混凝土,開始從砂漿層剝落,露出骨料后逐步向內部發展,造成一層層疏松層,導致表面凸凹不平。

(3)剝蝕出現在表層,NaCl結晶聚集在混凝土底部,遇濕或受潮后NaCl溶解再度進入混凝土,干燥后又重新結晶,此產生的結晶壓要遠遠大于混凝土中的骨料與水泥砂漿界面層的粘結力,如此反復,即使停止使用除冰鹽,鹽凍剝蝕破壞仍將產生,直至受鹽污染的混凝土層破壞為止。這一點,對北方的市政工程如立交橋、道路混凝土等是極為不利的。

3.2 除冰鹽對混凝土的破壞機理

(1)提高混凝土飽水度。眾所周知,鹽(NaCl或CaCl)可以降低水冰點,可將水凍結時的冰膨脹率降低到 9%以下,但它卻提高了混凝土飽水度,當混凝土飽水度達到或超過臨界飽水度(理論上為 91%)時,混凝土就受到拉應力作用,并因凍融循環增加而不斷加劇,直到混凝土開裂和破壞。同濟大學楊全兵、朱蓓蓉、黃士元等學者,通過毛細管吸水試驗證明:試件中鹽含量愈高,達到平衡時間愈短,飽水愈快,并得出結論。當使用除冰鹽時,由于鹽吸濕性和保水性,含鹽混凝土中的初始飽水度明顯比不加入除冰鹽的高,因此,當混凝土受凍時,混凝土中就會產生比無除冰鹽中高出幾倍甚至幾十倍的結冰壓。

(2)產生高滲透壓。由于除冰鹽在灑落時是不均勻的, 2001～2003年哈爾濱市灑落的除冰鹽為堆狀、島狀,然后靠車輪碾壓與帶走而攤開。這就導致在雪水中鹽的濃度不均勻而產生濃度差,受凍時混凝土中將產生更高的滲透壓,以及因分層結冰而產生更大的壓力差,造成疊加破壞,此種破壞的拉應力將是均勻凍脹中的幾十倍,而加劇混凝土剝落。

3.3 摻加氯鹽對混凝土中鋼筋銹蝕的影響

(1)氯鹽是促銹劑。

混凝土中摻和氯鹽容易引起鋼筋銹蝕,尤其是當具備產生銹蝕的基本條件時(充足的氧氣和水份),銹蝕加劇。

(2)氯鹽“促銹”的主要原因。

①氯離子能破壞混凝土中的鋼筋表面的保護性氧化膜。

氯離子與氧化膜發生了化學反應,原因是氯離子的活性很大,它容易被覆蓋著氧化膜的電極表面吸附,排擠并取代了氧化膜(Fe2O3)中的氧離子,生成了氧化鐵使鋼筋表面出現大小如谷粒狀的銹蝕孔以及附著在鋼筋表面的小氣泡。

氧化鐵是可溶性氧化物,這就在鋼筋保護性氧化膜的陽極區域形成了小孔。

②摻和氯鹽使混凝土的pH值降低氯化鈣溶于水后離解為Ca2+、OHˉ、H+、Clˉ離子,Ca(OH)2是中強堿,HCl是強酸,其結果是酸性增強,堿性減弱,混凝土的pH值減小。氯化鈉溶于水后,離解為Na+、OHˉ、H+、Clˉ離子,其中NaOH是強堿,HCI是強酸,混凝土的pH值略有降低。

pH的減小與摻鹽量成正比,摻6%CaCl2,混凝土的pH值即可降低到 12以下。

③氯離子參加鋼筋銹蝕的陽極反應在陽極,氯離子與帶正電荷的鐵離子發生離子反應生成氯化鐵 2C1ˉ+Fe2+= FeCI2。在陰極同時發生了Ca2++2OHˉ=Ca(OH)2此處的OHˉ離子是由于自由氧吸收鋼筋在陽極區失去的電子被還原形成的。

如果在陰極有足夠數量的氧不斷地被還原,則陽極過程就不斷地持續下去,即發生鋼筋銹蝕,并將直至鋼筋全部銹蝕為止。反之,如果在陰極缺乏氧,則陰極反應到限制,以至停止。所以鋼筋銹蝕的陰、陽極反應是相互促進又相互制約的。

混凝土中鋼筋銹蝕是屬于金屬在電解液中的腐蝕,即電化腐蝕。

眾所周知,普通混凝土中的鋼筋在一般情況下是不會發生銹蝕的。但是在某些條件下,由于混凝土的堿性降低(pH值減小)或者由于有害介質的侵入,鋼筋表面的氧化膜遭到破壞,空氣中的氧氣和水份通過混凝土保護層達到鋼筋表面,并在其上形成一層很薄的水膜,此時鋼筋如同浸在電解液中。鋼筋本身含有雜質,它的表面狀態也有一定的差異,所以在同一鋼筋的不同部位形成了陰極和陽極(腐蝕微電池),產生了兩個獨立進行的,又互相制約的陽極反應和陰極反應。

從上述明顯看出,混凝土中的鋼筋銹蝕是電化學過程,水份和氧氣是破壞保護性氧化膜的基本條件。

破壞保護性氧化膜是鋼筋銹蝕的前提,氧氣和水分是鋼筋銹蝕缺一不可的必要條件。在通氧充分條件下,隨之氯摻量增加,鋼筋銹蝕急劇加重,充分表現出它的促銹作用。在通氧困難情況上,鋼筋銹蝕量與摻鹽量成拋物線關系。當絕氧時,無論摻鹽多少,鋼筋均不銹蝕。

混凝土本身就是一種強有力的阻銹劑。在使用氯鹽防凍劑時,必須首先考慮利用混凝土自身已有的防護能力,設計足夠厚度和密實度的保護層,其次是充分利用水下、基礎混疑土通氧困難的客觀條件,對長期處于水下,基礎中的大體積鋼筋混凝工結構,較適合使用氯鹽的防凍劑。

4 結 語

及時“撒鹽”融化冰雪,對國民經濟和人民生活意義重大,“撒鹽”是最通行的方法。但“撒鹽”是一把“雙刃劍”,在快速融化冰雪、保證交通暢達、安全的同時,也帶來巨大的負面影響(腐蝕、污染等)。雖然減少用鹽量已成為世界趨勢,但目前還國內外還不得不繼續“撒鹽”。國內外的經驗教訓表明,充分認識“撒鹽”的兩面性、尤其是重視其長遠的危害性,是特別重要的。盡量少用鹽、管理科學化、制定控制標準和科學檢驗方法、發展多方面的化雪除冰技術、鼓勵人工、機械除冰等綜合措施,同時實施“以防為主”的戰略,是可以最大限度地減少“撒鹽”的負面影響的。這需要政府和全社會的共同努力。

[1] 洪乃豐.我國北方地區冬季撒鹽的利害分析.第五屆全國建筑防腐會議論文集,2000.

[2] 洪乃豐.再議“鹽害”與融雪劑[J].城市與減災,2003,(1).

[3] 洪乃豐.融雪劑及其對基礎設施的腐蝕危害[J].建筑技術, 2004,(4).

[4] 洪乃豐.氯鹽融雪劑是把“雙刃劍”[J].城市與減災,2005, (4).

[5] 洪乃豐.氯鹽類融雪劑的腐蝕危害與試驗方法的討論[J].工業建筑,2006,(1).