融雪剂对高速公路的危害

刘海涛

(河北路桥集团)

1 我国公路情况简介

我国目前桥涵结构多数采用混凝土结构,桥面上采用沥青面层或混凝土面层。路面多数为沥青路面和混凝土路面。氯盐渗透到混凝土中,会促进混凝土的冻融。最主要的破坏作用是对钢筋的腐蚀。当氯离子到达钢筋表面并超过一定量(临界值)时,原来处于钝化状态的钢筋,就会活化、腐蚀。锈蚀产物的体积会膨胀 2～6倍,使混凝土保护层发生顺钢筋开裂、脱落的状况,导致结构承载力下降或丧失。盐类对水泥混凝土路面,尤其是沥青混凝土路面同样也存在危害,盐类物质与沥青相互作用,大大减小沥青材料与沙石料的黏合能力,造成沥青表面脱落,在行车荷载的作用下大面积路面破损。

目前我国混凝土防腐主要考虑地下水和地表水中盐分的腐蚀,对暴露地上的的结构采用的防腐处理还相对不足。主要在混凝土中加入防腐剂或采用防腐水泥和石材进行处理,但应用较少。并且针对由融雪剂造成的病害而采用的措施较少,而近年由融雪剂造成的结构破坏情况较多。

2 融雪剂原理

目前不论国外还是国内,高速公路除雪使用的融雪剂主要是氯盐类融雪剂,包括氯化钠、氯化钙、氯化镁、氯化钾等,通称作“化冰盐”。

融雪原理是通过降低水的冰点来达到融雪效果。比如,向 100g冰或雪中加入 33g氯化钠可以使冰点降为低于-21℃,也就是说,平时在 0℃就开始结冰的水,现在在-20℃的环境中也不会结冰。如果用氯化钙代替氯化钠,降低冰点的效果更加显著。氯盐类融雪剂的除雪作用有两点,除了盐类的溶解吸热以外,还有一个作用就是盐水的凝固点较低,因此在雪水中溶解了盐之后就难以再形成冰块,从而有利于排雪。雪融剂溶于水后,水中离子浓度上升,使水的液相蒸气压下降,但冰的固态蒸气压不变.为达到冰水混和物固液蒸气压等的状态,冰便溶化了。氯盐类融雪剂的优点是便宜,价格仅相当于有机类融雪剂的 1/10,但它对大型公共基础设施的腐蚀是很严重的。

3 融雪剂病害特征

3.1 洒除冰盐对混凝土的剥蚀破坏特征

从混凝土盐冻破坏试验来看,除冰盐导致混凝土表现剥落破坏的特征主要表现如下几个方面。

(1)表面裂纹扩展迅速,破坏速度加快,一般情况下,耐水冻破坏 100次冻融循环的普通混凝土,耐盐冻不到 20次,且表面均成斑状剥落。

(2)破坏逐层发展,暴露骨料。经过 10次左右冻融循环的普通混凝土,开始从砂浆层剥落,露出骨料后逐步向内部发展,造成一层层疏松层,导致表面凸凹不平。

(3)剥蚀出现在表层,NaCl结晶聚集在混凝土底部,遇湿或受潮后NaCl溶解再度进入混凝土,干燥后又重新结晶,此产生的结晶压要远远大于混凝土中的骨料与水泥砂浆界面层的粘结力,如此反复,即使停止使用除冰盐,盐冻剥蚀破坏仍将产生,直至受盐污染的混凝土层破坏为止。这一点,对北方的市政工程如立交桥、道路混凝土等是极为不利的。

3.2 除冰盐对混凝土的破坏机理

(1)提高混凝土饱水度。众所周知,盐(NaCl或CaCl)可以降低水冰点,可将水冻结时的冰膨胀率降低到 9%以下,但它却提高了混凝土饱水度,当混凝土饱水度达到或超过临界饱水度(理论上为 91%)时,混凝土就受到拉应力作用,并因冻融循环增加而不断加剧,直到混凝土开裂和破坏。同济大学杨全兵、朱蓓蓉、黄士元等学者,通过毛细管吸水试验证明:试件中盐含量愈高,达到平衡时间愈短,饱水愈快,并得出结论。当使用除冰盐时,由于盐吸湿性和保水性,含盐混凝土中的初始饱水度明显比不加入除冰盐的高,因此,当混凝土受冻时,混凝土中就会产生比无除冰盐中高出几倍甚至几十倍的结冰压。

(2)产生高渗透压。由于除冰盐在洒落时是不均匀的, 2001～2003年哈尔滨市洒落的除冰盐为堆状、岛状,然后靠车轮碾压与带走而摊开。这就导致在雪水中盐的浓度不均匀而产生浓度差,受冻时混凝土中将产生更高的渗透压,以及因分层结冰而产生更大的压力差,造成叠加破坏,此种破坏的拉应力将是均匀冻胀中的几十倍,而加剧混凝土剥落。

3.3 掺加氯盐对混凝土中钢筋锈蚀的影响

(1)氯盐是促锈剂。

混凝土中掺和氯盐容易引起钢筋锈蚀,尤其是当具备产生锈蚀的基本条件时(充足的氧气和水份),锈蚀加剧。

(2)氯盐“促锈”的主要原因。

①氯离子能破坏混凝土中的钢筋表面的保护性氧化膜。

氯离子与氧化膜发生了化学反应,原因是氯离子的活性很大,它容易被覆盖着氧化膜的电极表面吸附,排挤并取代了氧化膜(Fe2O3)中的氧离子,生成了氧化铁使钢筋表面出现大小如谷粒状的锈蚀孔以及附着在钢筋表面的小气泡。

氧化铁是可溶性氧化物,这就在钢筋保护性氧化膜的阳极区域形成了小孔。

②掺和氯盐使混凝土的pH值降低氯化钙溶于水后离解为Ca2+、OHˉ、H+、Clˉ离子,Ca(OH)2是中强碱,HCl是强酸,其结果是酸性增强,碱性减弱,混凝土的pH值减小。氯化钠溶于水后,离解为Na+、OHˉ、H+、Clˉ离子,其中NaOH是强碱,HCI是强酸,混凝土的pH值略有降低。

pH的减小与掺盐量成正比,掺6%CaCl2,混凝土的pH值即可降低到 12以下。

③氯离子参加钢筋锈蚀的阳极反应在阳极,氯离子与带正电荷的铁离子发生离子反应生成氯化铁 2C1ˉ+Fe2+= FeCI2。在阴极同时发生了Ca2++2OHˉ=Ca(OH)2此处的OHˉ离子是由于自由氧吸收钢筋在阳极区失去的电子被还原形成的。

如果在阴极有足够数量的氧不断地被还原,则阳极过程就不断地持续下去,即发生钢筋锈蚀,并将直至钢筋全部锈蚀为止。反之,如果在阴极缺乏氧,则阴极反应到限制,以至停止。所以钢筋锈蚀的阴、阳极反应是相互促进又相互制约的。

混凝土中钢筋锈蚀是属于金属在电解液中的腐蚀,即电化腐蚀。

众所周知,普通混凝土中的钢筋在一般情况下是不会发生锈蚀的。但是在某些条件下,由于混凝土的碱性降低(pH值减小)或者由于有害介质的侵入,钢筋表面的氧化膜遭到破坏,空气中的氧气和水份通过混凝土保护层达到钢筋表面,并在其上形成一层很薄的水膜,此时钢筋如同浸在电解液中。钢筋本身含有杂质,它的表面状态也有一定的差异,所以在同一钢筋的不同部位形成了阴极和阳极(腐蚀微电池),产生了两个独立进行的,又互相制约的阳极反应和阴极反应。

从上述明显看出,混凝土中的钢筋锈蚀是电化学过程,水份和氧气是破坏保护性氧化膜的基本条件。

破坏保护性氧化膜是钢筋锈蚀的前提,氧气和水分是钢筋锈蚀缺一不可的必要条件。在通氧充分条件下,随之氯掺量增加,钢筋锈蚀急剧加重,充分表现出它的促锈作用。在通氧困难情况上,钢筋锈蚀量与掺盐量成抛物线关系。当绝氧时,无论掺盐多少,钢筋均不锈蚀。

混凝土本身就是一种强有力的阻锈剂。在使用氯盐防冻剂时,必须首先考虑利用混凝土自身已有的防护能力,设计足够厚度和密实度的保护层,其次是充分利用水下、基础混疑土通氧困难的客观条件,对长期处于水下,基础中的大体积钢筋混凝工结构,较适合使用氯盐的防冻剂。

4 结 语

及时“撒盐”融化冰雪,对国民经济和人民生活意义重大,“撒盐”是最通行的方法。但“撒盐”是一把“双刃剑”,在快速融化冰雪、保证交通畅达、安全的同时,也带来巨大的负面影响(腐蚀、污染等)。虽然减少用盐量已成为世界趋势,但目前还国内外还不得不继续“撒盐”。国内外的经验教训表明,充分认识“撒盐”的两面性、尤其是重视其长远的危害性,是特别重要的。尽量少用盐、管理科学化、制定控制标准和科学检验方法、发展多方面的化雪除冰技术、鼓励人工、机械除冰等综合措施,同时实施“以防为主”的战略,是可以最大限度地减少“撒盐”的负面影响的。这需要政府和全社会的共同努力。

[1] 洪乃丰.我国北方地区冬季撒盐的利害分析.第五届全国建筑防腐会议论文集,2000.

[2] 洪乃丰.再议“盐害”与融雪剂[J].城市与减灾,2003,(1).

[3] 洪乃丰.融雪剂及其对基础设施的腐蚀危害[J].建筑技术, 2004,(4).

[4] 洪乃丰.氯盐融雪剂是把“双刃剑”[J].城市与减灾,2005, (4).

[5] 洪乃丰.氯盐类融雪剂的腐蚀危害与试验方法的讨论[J].工业建筑,2006,(1).