融雪劑對高速公路的危害

劉海濤

(河北路橋集團(tuán))

1 我國公路情況簡介

我國目前橋涵結(jié)構(gòu)多數(shù)采用混凝土結(jié)構(gòu),橋面上采用瀝青面層或混凝土面層。路面多數(shù)為瀝青路面和混凝土路面。氯鹽滲透到混凝土中,會促進(jìn)混凝土的凍融。最主要的破壞作用是對鋼筋的腐蝕。當(dāng)氯離子到達(dá)鋼筋表面并超過一定量(臨界值)時,原來處于鈍化狀態(tài)的鋼筋,就會活化、腐蝕。銹蝕產(chǎn)物的體積會膨脹 2～6倍,使混凝土保護(hù)層發(fā)生順鋼筋開裂、脫落的狀況,導(dǎo)致結(jié)構(gòu)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(zhì)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(jié)構(gòu)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(jìn)行處理,但應(yīng)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(jié)構(gòu)破壞情況較多。

2 融雪劑原理

目前不論國外還是國內(nèi),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(diǎn)來達(dá)到融雪效果。比如,向 100g冰或雪中加入 33g氯化鈉可以使冰點(diǎn)降為低于-21℃,也就是說,平時在 0℃就開始結(jié)冰的水,現(xiàn)在在-20℃的環(huán)境中也不會結(jié)冰。如果用氯化鈣代替氯化鈉,降低冰點(diǎn)的效果更加顯著。氯鹽類融雪劑的除雪作用有兩點(diǎn),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(diǎn)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(tài)蒸氣壓不變.為達(dá)到冰水混和物固液蒸氣壓等的狀態(tài),冰便溶化了。氯鹽類融雪劑的優(yōu)點(diǎn)是便宜,價(jià)格僅相當(dāng)于有機(jī)類融雪劑的 1/10,但它對大型公共基礎(chǔ)設(shè)施的腐蝕是很嚴(yán)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(yàn)來看,除冰鹽導(dǎo)致混凝土表現(xiàn)剝落破壞的特征主要表現(xiàn)如下幾個方面。

(1)表面裂紋擴(kuò)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(huán)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(fā)展,暴露骨料。經(jīng)過 10次左右凍融循環(huán)的普通混凝土,開始從砂漿層剝落,露出骨料后逐步向內(nèi)部發(fā)展,造成一層層疏松層,導(dǎo)致表面凸凹不平。

(3)剝蝕出現(xiàn)在表層,NaCl結(jié)晶聚集在混凝土底部,遇濕或受潮后NaCl溶解再度進(jìn)入混凝土,干燥后又重新結(jié)晶,此產(chǎn)生的結(jié)晶壓要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于混凝土中的骨料與水泥砂漿界面層的粘結(jié)力,如此反復(fù),即使停止使用除冰鹽,鹽凍剝蝕破壞仍將產(chǎn)生,直至受鹽污染的混凝土層破壞為止。這一點(diǎn),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(jī)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(diǎn),可將水凍結(jié)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(dāng)混凝土飽水度達(dá)到或超過臨界飽水度(理論上為 91%)時,混凝土就受到拉應(yīng)力作用,并因凍融循環(huán)增加而不斷加劇,直到混凝土開裂和破壞。同濟(jì)大學(xué)楊全兵、朱蓓蓉、黃士元等學(xué)者,通過毛細(xì)管吸水試驗(yàn)證明:試件中鹽含量愈高,達(dá)到平衡時間愈短,飽水愈快,并得出結(jié)論。當(dāng)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(dāng)混凝土受凍時,混凝土中就會產(chǎn)生比無除冰鹽中高出幾倍甚至幾十倍的結(jié)冰壓。

(2)產(chǎn)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(dǎo)致在雪水中鹽的濃度不均勻而產(chǎn)生濃度差,受凍時混凝土中將產(chǎn)生更高的滲透壓,以及因分層結(jié)冰而產(chǎn)生更大的壓力差,造成疊加破壞,此種破壞的拉應(yīng)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(dāng)具備產(chǎn)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(hù)性氧化膜。

氯離子與氧化膜發(fā)生了化學(xué)反應(yīng),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(xiàn)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(hù)性氧化膜的陽極區(qū)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(qiáng)堿,HCl是強(qiáng)酸,其結(jié)果是酸性增強(qiáng),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(qiáng)堿,HCI是強(qiáng)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(yīng)在陽極,氯離子與帶正電荷的鐵離子發(fā)生離子反應(yīng)生成氯化鐵 2C1ˉ+Fe2+= FeCI2。在陰極同時發(fā)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(qū)失去的電子被還原形成的。

如果在陰極有足夠數(shù)量的氧不斷地被還原,則陽極過程就不斷地持續(xù)下去,即發(fā)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(yīng)到限制,以至停止。所以鋼筋銹蝕的陰、陽極反應(yīng)是相互促進(jìn)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(fā)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(zhì)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(hù)層達(dá)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(zhì),它的表面狀態(tài)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(chǎn)生了兩個獨(dú)立進(jìn)行的,又互相制約的陽極反應(yīng)和陰極反應(yīng)。

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

破壞保護(hù)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(xiàn)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(guān)系。當(dāng)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(qiáng)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(hù)能力,設(shè)計(jì)足夠厚度和密實(shí)度的保護(hù)層,其次是充分利用水下、基礎(chǔ)混疑土通氧困難的客觀條件,對長期處于水下,基礎(chǔ)中的大體積鋼筋混凝工結(jié)構(gòu),較適合使用氯鹽的防凍劑。

4 結(jié) 語

及時“撒鹽”融化冰雪,對國民經(jīng)濟(jì)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(dá)、安全的同時,也帶來巨大的負(fù)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(nèi)外還不得不繼續(xù)“撒鹽”。國內(nèi)外的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)表明,充分認(rèn)識“撒鹽”的兩面性、尤其是重視其長遠(yuǎn)的危害性,是特別重要的。盡量少用鹽、管理科學(xué)化、制定控制標(biāo)準(zhǔn)和科學(xué)檢驗(yàn)方法、發(fā)展多方面的化雪除冰技術(shù)、鼓勵人工、機(jī)械除冰等綜合措施,同時實(shí)施“以防為主”的戰(zhàn)略,是可以最大限度地減少“撒鹽”的負(fù)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(qū)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(zāi),2003,(1).

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

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

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