CMA融雪剂对碳钢腐蚀率影响的研究

查湘义

(辽宁省交通高等专科学校建筑工程系，辽宁沈阳，110122)

随着国民经济的发展，人们生活水平的提高，城市规模的不断扩大，冬季降雪对城市道路交通的影响越来越突出，使用融雪剂除雪已是我国冬季除雪的重要手段之一。传统型融雪剂的主要成分是以工业盐氯化钠为主的化冰盐融雪剂，其优点在于价格低廉、融雪效果好，但是冰雪消融后随之带来的环境破坏问题也日益显现。大量融雪剂使用已造成桥梁、混凝土结构中的钢筋出现大量锈蚀破坏，如在北欧丹麦的哥本哈根地区调查了102座桥，其中50%的桥梁出现了严重的腐蚀。我国天津一些立交桥，出现桥梁边梁大面积碱化，帽梁混凝土剥落而使钢筋锈蚀的现象。哈大公路，建成投入使用仅5年，钢筋混凝土就出现了顺筋胀裂，层裂或剥落［1－4］。

与氯化钠融雪剂相比，醋酸钙镁盐(CMA)融雪剂具有腐蚀性低、植物伤害小、可生物降解等优点，但原料价格高，成本昂贵，制约了其推广应用［5－6］。为了降低CMA融雪剂的生产成本，加大农作物秸秆等生物质的废物利用，试验以生物质为主要原料，通过水热反应，生产CMA环保型融雪剂，并测试其对碳钢的腐蚀影响［7－9］。

1 实验材料及方法

1.1 CMA 融雪剂制备

将自来水和生物质及氧化钙或氧化镁固体粉末按一定的固液比加入到反应釜中(如图1)，待固体粉末充分溶胀后，密封反应釜。将反应釜通电，待温度上升至200℃左右，保持2～4小时，然后停止加热，待反应釜冷却至室温后，拧松放气阀放气后慢慢打开反应釜，将产物进行离心过滤。反应产物经离心过滤得到液相产物和固相产物。液相产物用脱色剂脱色过滤得到无色或淡黄色溶液，即为CMA融雪剂溶液，将溶液蒸发结晶即得到固体CMA产品［10－12］，如图 2 所示。

图1 水热反应釜Fig.1 Hydrothermal reaction kettle

图2 结晶后的CMA产品Fig.2 Product of CMA after crystallization

1.2 碳钢腐蚀率测试

本实验分别采用20g/L、35g/L、50g/L和200g/L浓度的氯化钠和CMA溶液，测定四种浓度下溶液对金属碳钢的腐蚀程度，同时测定200 g/L浓度下氯化镁，硝酸镁，氯化钙融雪剂对金属碳钢的腐蚀率，并进行对比分析。碳钢腐蚀率测试为实验室自制的实验装置，如图3所示。实验试剂主要为融雪剂、乙醇、丙酮、氢氧化钠溶液(60g/L)，酸洗液(1000mL)，盐酸溶液(盐酸与水的体积比为1∶4)中，加入8g六次甲基四胺，溶解后混匀。具体步骤如下所示:

(1)将碳钢试片上的防锈油脂用滤纸擦拭干净，然后分别在丙酮和无水乙醇中用脱脂棉擦洗，置于干净滤纸上;

(2)将碳钢试片上的残留液用滤纸吸干，然后置于干燥器中干燥4h以上，称量后保存在干燥器中备用;

(3)在烧杯中加入融雪剂溶液，置于恒温水浴中。待溶液达到指定温度40℃时，挂入碳钢试片，在烧杯外壁与液面同一水平上划线。启动电动机，使搅拌器搅动，调节搅拌浆的转速在100r/min～200r/min之间，开始计时。

(4)实验溶液中不通入空气，1－2h补水一次，使液面保持在刻度线处。当运转时间达到指定值48h，停止转动，取出试片进行外观观察和记录。

(5)将试片用毛刷刷洗干净，然后在酸洗液中浸泡3－5min取出，用自来水冲洗后立即浸入氢氧化钠溶液中约30s，取出，用蒸馏水冲洗，用滤纸擦拭并吸干，在无水乙醇中浸泡约3min，然后放在干净滤纸上用滤纸吸干，置于干燥器中4h以上，称量。同时做试片的酸洗空白试验。

(6)对酸洗后的试片进行外观观察并记录，腐蚀率以mm/a表示，按下式计算:

式中:m—试片的质量损失，g;

m0—试片酸洗空白试验的质量损失平均值，g;

s—试片的表面积，cm2;

ρ—试片的密度，g/cm3;

t—试验时间，h(本实验为48h);

8760—与1年相等的小时数，h/a;

10—与1cm相等的毫米数，mm/cm。

图3 碳钢腐蚀率测试实验装置Fig.3 Test apparatus for corrosion rate of carbon steel

2 试验结果及讨论

所用碳钢试片的表面积为28cm2，密度为7.84g/cm3，酸洗空白试验数据如表1所示。

表1 酸洗空白试验测试结果Table 1 Acid cleaning blank test results

通过实验得出的碳钢试片经融雪剂浸泡后的质量损失和酸洗空白的质量损失(表1)，然后再依据腐蚀率计算公式，计算出不同浓度融雪剂对碳钢的腐蚀率。根据实验结果可知，200g/L 氯化钠、200g/LCMA 对碳钢的腐蚀率分别为 0.447mm/a、0.088mm/a，CMA 比氯化钠腐蚀率降低80%;50g/L氯化钠、50g/LCMA对碳钢的腐蚀率分别为0.773mm/a、0.189mm/a，CMA比氯化钠腐蚀率降低75%;35g/L氯化钠、35g/LCMA对碳钢的腐蚀率分别为 0.690mm/a、0.302mm/a，CMA 比氯化钠腐蚀率降低 56%;20g/L 氯化钠、20g/LCMA 对碳钢的腐蚀率分别为0.585mm/a、0.237mm/a，CMA比氯化钠腐蚀率降低59%。氯化钠表现出的高腐蚀性原因在于Cl－的腐蚀性，Cl－一方面会破坏碳钢表面的钝化膜，使Cl－顺利进入金属界面形成电位差，加快了腐蚀的进程;另一方面当Cl－在金属表面腐蚀形成“蚀坑”后，铁基体在电介质作用下失去电子成为Fe2+，Cl－会参与“搬运”Fe2+而本身并不被消耗，从而形成重复腐蚀的过程［13］。两种融雪剂在不同浓度下对碳钢腐蚀程度的比较见图4所示。

图4 不同浓度下的氯化钠与CMA碳钢腐蚀率Fig.4 Corrosion rate of carbon steel at different concentration of sodium chloride and CMA

从以上结果可知，不同浓度融雪剂溶液对碳钢的腐蚀率存在较大的差异，不同种类的融雪剂对碳钢的腐蚀率也存在较大的差异。对氯化钠融雪剂来说，随着浓度的增大，对碳钢的腐蚀率先增大后减小，在浓度为50g/L时对碳钢的腐蚀率达到最大;对CMA融雪剂来说，随着浓度的增大，腐蚀率也是先增大后减小，在浓度为35g/L时对碳钢的腐蚀率达到最大。CMA对碳钢的腐蚀率总是低于氯化钠，且随着浓度的增大，差距越来越明显。氯化钠腐蚀率最大为0.773mm/a，最小为0.447mm/a;CMA腐蚀率最大为0.302mm/a，最小为0.088mm/a。

使用同样的方法对氯化镁、氯化钙、硝酸镁等融雪剂碳钢腐蚀率进行了测定，对比结果如表2所示，腐蚀后碳钢如图5所示。

表2 不同融雪剂碳钢腐蚀率对比Table 2 Comparison of carbon steel corrosion by different snowmelt agent

图5 不同融雪剂浓度下的碳钢腐蚀后图片Fig.5 Corrosion pictures of carbon steel at different concentration of snowmelt agent

从以上结果可知，在200g/L浓度下，各种融雪剂溶液对碳钢的腐蚀情况差异较大，从腐蚀率数值上来看，氯化钠的腐蚀率最大，为 0.447mm/a，CMA的腐蚀率最小，为0.088mm/a，从大到小排序为:氯化钠＞硝酸镁＞氯化钙＞氯化镁＞CMA，只有CMA对碳钢的腐蚀率符合标准要求(标准要求为≤0.18mm/a)。从表面外观来看，氯化钠、氯化镁、氯化钙都不同程度受到腐蚀，出现凹凸不平的腐蚀痕迹，而CMA浸泡后的碳钢试片表面光亮，没有腐蚀的痕迹。

3 结论

(1)实验所用融雪剂对金属碳钢具有一定的腐蚀性，且随融雪剂性质和浓度的不同而有较大的差别。CMA融雪剂在浓度为200g/L时所测得的腐蚀率满足辽宁省地方标准《融雪剂质量与使用技术规程》DB21/T1558－2007中规定的腐蚀率不大于0.18mm/a的要求。

(2)分别对浓度均为200g/L时，氯化钠、氯化钙、氯化镁、硝酸镁、CMA等融雪剂溶液的碳钢腐蚀率进行了测定，得出了不同融雪剂对金属碳钢的腐蚀程度。按照腐蚀率由大到小的顺序排序，氯化钠＞硝酸镁＞氯化钙＞氯化镁＞CMA，以CMA腐蚀率为基准，氯化钠、氯化钙、氯化镁、硝酸镁的腐蚀率分别是其5.08倍、3.74倍、3.32倍、3.75倍，可见氯盐类融雪剂对金属的腐蚀比CMA融雪剂严重。从外观上来看，氯盐类融雪剂具有明显的腐蚀痕迹，而受CMA溶液浸泡的碳钢表面光亮，没有腐蚀痕迹。

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