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融雪剂/除冰剂的历史现状与发展方向
1. 传统氯盐类除冰剂对钢筋混凝土结构的腐蚀危害
国外经验教训
氯盐类融雪剂是一把双刃剑, 由于价格低廉,在融化冰雪的同时, 给道路、设施带来了巨大的负面影响,特别是腐蚀危害。氯盐类融雪剂(NaCl、CaCl2、MgCl2 等)的腐蚀性能是相似的, 都具有强腐蚀性。早期西方国家在路桥上大量使用氯盐化冰雪之后,陆续出现(使用5-15年内)以钢筋腐蚀为主要特征的破坏现象。1981年美国50万座桥中,有1/4受到腐蚀破坏;1993年, 受到腐蚀破坏的桥梁超过1/2, 有40%已承载力不足, 近年来美国仅桥梁修复费已高达1550亿美元。在加拿大大面积使用化冰盐, 基础设施的腐蚀破坏特别突出。如修复所有被腐蚀破坏的基础设施, 其费用要超过5000亿美元。英国也有受化冰盐危害的典型事例, 如1972年,在长20km的高速公路路段上建了11座桥, 由于采用氯盐类融雪剂, 几年后就出现混凝土顺钢筋开裂,其15年的修复费已是建桥费的1.6倍, 到2004年, 累计修复费达到建桥费的6倍。德国柏林市某座大型立交桥, 由于使用氯盐融雪剂, 使用年限不足20年, 钢筋腐蚀破坏严重,不得不在其旁边另建一座新立交桥。以丹麦的哥本哈根地区为例, 调查了102座桥,其中,50%的桥有严重的钢筋腐蚀破坏, 其主导原因是使用了氯盐化冰盐。
混凝土耐久性是当今世界的大问题,钢筋混凝土结构依然是工程结构的主体,特别是大型公共基础设施,钢筋混凝土是主要材料与结构形式,而基础设施是国家的经济命脉,其耐久性问题,足以影响国民经济与可持续发展。世界著名专家梅塔教授指出:“钢筋腐蚀是钢筋混凝土结构破坏的主要原因”,而氯盐又是钢筋遭受腐蚀的主因。
我国目前融雪剂( 化冰盐) 使用状况
目前, 我国大量使用的仍为氯盐类融雪剂(早期大都使用氯化钠, 近来也使用氯化钙、氯化镁等) 。北京原西直门立交桥1979年建成并投入使用, 使用期不到20年已须重建。除去先天因素( 设计、施工质量等) , 就环境影响而言, 撒氯盐类融雪剂所造成的钢筋腐蚀与混凝土冻融破坏, 是路桥过早破坏的主要因素。除北京外, 天津等城市的路、桥也已经出现同样的情况。在我国北方地区高速公路、桥梁等均有氯盐腐蚀破坏的现象。事实上, 凡撒氯盐频率高的桥梁, 随着时间的推移, 都出现不同程度的腐蚀破坏情况。此外, 撒氯盐还腐蚀地下管线、周边建筑,污染环境等。
2.有机融雪剂的出现与性能比较优势
美国、欧洲等西方国家在融雪剂的开发和使用方面一直保持领先地位,陆续推出了系列有机融雪剂并逐步代替“氯盐”,广泛运用在机场、高速路等交通场所,在减少氯盐融雪剂使用,充分保障交通高效安全运行方面,取得了十分显著的成效。主要品种包括醋酸钙镁,生物有机质,醇类物质(乙二醇、丙二醇等),羧酸盐系列(甲酸钠、甲酸钾、乙酸钠、乙酸钾、乳酸钾等),尿素等。目前,该系列有机融雪剂的使用,在我国已经逐渐开始得到部分推广和实施。
有机融雪剂体现出不同的优势互补性质,其主要性能如下表1所示。
表 1
种 类 | 使用温度 | 优 势 | 不足之处 | 使用情况 |
氯盐类(NaCl,CaCl2, MgCl2等) | -15℃~ -20℃ | 价格便宜 | 腐蚀严重,尤其对钢筋混凝土结构腐蚀 | 只适用于对安全系数要求很低的低端市场 |
醋酸钙镁(CMA) | -15℃~ -20℃ | 腐蚀性较小 | 固体使用,颗粒强度低,容易起粉尘;价格昂贵 | 一般场所 |
生物有机质(如市面流行秸秆转化液等生态环保除冰液) | -15℃~ -25℃ | 腐蚀性小
| 价格高;多为液体使用,容易使路面湿滑。喷施后易流失,除冰保持时间短;化学耗氧量高,排放到水体会导致水生物缺氧 | 适用于一般场所 |
乙二醇 | -40℃ | 腐蚀性小 | 有毒性 | 已经开始禁止使用 |
丙二醇 | -40℃ | 腐蚀性小 | 液体使用,容易使路面湿滑;喷施后易流失,除冰保持时间短;化学耗氧量高,排放到水体会导致水生物缺氧;价格高 | 道面较少使用 |
甲酸钠 | -15℃~ -20℃ | 腐蚀性小;价格适中;可单独固体使用,或与液体除冰剂搭配使用,效果更佳。 | 不适用高寒地区 | 适用范围广,如高速路和机场等 |
醋酸钠 | -15℃~ -20℃ | 腐蚀性小 | 不适用高寒地区;价格偏高 | 高速路和机场等 |
甲酸钾 | -30℃ | 腐蚀性小 | 单独液体使用,容易使路面湿滑;喷施后易流失,除冰保持时间短;价格较高 | 主要使用于机场 |
醋酸钾 | -30℃ | 腐蚀性小 | 单独液体使用,容易使路面湿滑;喷施后易流失,除冰保持时间短;价格高 | 主要使用于机场 |
尿素 | -15℃~ -20℃ | 腐蚀性小 | 含氮量高,造成水体富营养化 | 高速路、机场使用,但已逐渐淘汰 |
说明:上表中,甲酸盐融雪剂综合性能十分突出,国外已经广泛使用。
3.甲酸盐除冰剂与传统氯盐除冰剂对钢铁的腐蚀测试比较
FY-01甲酸盐融雪剂是有机融雪剂中的一种,以甲酸盐为主要成分、添加多种助剂的除冰剂,其融冰速度快,化冰能力强,仅就对钢筋混凝土结构的腐蚀性方面,相对于氯盐有显著的不同。按照GB/T23851-2009 道路除冰融雪剂(国标)对FY-01融雪剂与氯盐对钢铁的腐蚀进行了测试,将20#碳钢试片放在除冰剂溶液中40℃下连续浸泡48小时, 测试结果(表2)与钢铁腐蚀图片1~4比较如下:
碳钢在融雪剂溶液中腐蚀试验测试结果表2
品 种 | 碳钢腐蚀率(mm/a) | ||
指 标值 | 测试结果 | 现 象 | |
FY-01甲酸盐除冰剂 | 0.1 | 0.02 | 碳钢试片在FY-01甲酸盐除冰剂溶液中连续浸泡48小时后,基本光亮如新 |
氯盐除冰剂 | 0.11 | 碳钢试片在氯盐溶液中连续浸泡48小时后,出现大量铁锈,试片腐蚀严重 |