畢崇濤,馬 媛,劉 媛,劉欣艷,張 旭
(北京市城市管理研究院 生活垃圾檢測分析與評價北京市重點實驗室,北京 100028)
我國大部分地區(qū)的公路、城市道路和機場道路等在冬季都會受到冰雪影響。道路的積雪結(jié)冰不僅導(dǎo)致交通中斷,還容易引發(fā)交通事故,帶來嚴重的經(jīng)濟和生命財產(chǎn)損失。目前,全世界范圍內(nèi)采用最多的融雪除冰方式是撒布融雪劑。據(jù)不完全統(tǒng)計,全球每年大約使用3 000萬t融雪劑[1]。氯鹽類融雪劑因其融雪效果好、價格便宜,一直被廣泛地應(yīng)用于道路的除雪化冰。但氯鹽型融雪劑易造成金屬腐蝕,最容易被破壞的是橋梁中的鋼筋,氯鹽類融雪劑對基礎(chǔ)設(shè)施的腐蝕危害,已經(jīng)成為世界性問題[2]。
目前國內(nèi)對融雪劑金屬腐蝕的試驗和判定主要是依據(jù)GB/T 23851—2017《融雪劑》中的檢測方法和標準限值來進行,該標準方法的要點包括:試驗溶液不通氣,試樣全浸在試驗溶液中;融雪劑試驗溶液含量為18%。研究發(fā)現(xiàn)含量為18%的融雪劑溶液腐蝕速率比3%的融雪劑溶液小很多[3]。另外,氯鹽類融雪劑的噴灑、使用過程是充分與空氣(O2)接觸的,是通氣狀態(tài),而不是“全浸”狀態(tài)。試驗檢驗方法應(yīng)盡量符合氯鹽類融雪劑的實際使用狀態(tài)與條件,采用較低含量、通氣條件下進行試驗,更符合實際,其結(jié)果更具實際意義[4]。美國一些州在研究探索融雪劑腐蝕性試驗、檢驗方法的過程中發(fā)現(xiàn),采取不同的方法可能獲得不同或相反的結(jié)果。為了更切合實際,即符合撒化冰鹽對汽車部件的腐蝕影響,美國西北州聯(lián)合(PNS)制定了一個關(guān)于氯鹽類融雪劑腐蝕性試驗方法和標準,具體試驗過程如下:①采用3%的試樣溶液;②采用“干濕循環(huán)”的原則。鋼試片在水中浸泡10 min、空氣中停放50 min,共循環(huán)試驗達24 h。以上的試驗設(shè)計,考慮到汽車部件接觸融雪劑的實際情況,在氯鹽含量、接觸空氣等方面,不脫離腐蝕原理。為控制氯鹽的腐蝕,PNS還制定出“判定標準”,即用上述方法檢驗,與氯化鈉作對比,其腐蝕性是氯化鈉的30%以下為合格。洪乃豐[5]提出GB/T 18175—2014《水處理劑緩蝕性能的測定 旋轉(zhuǎn)掛片法》,是否可用于融雪劑的腐蝕性檢驗,值得認真分析、商榷與討論。
目前國內(nèi)針對融雪劑腐蝕性檢測的試驗方法主要集中在旋轉(zhuǎn)掛片法和周期浸潤法,本研究基于以上2種試驗方法對氯鹽類融雪劑碳鋼腐蝕性檢測的適用性開展相關(guān)研究,研究結(jié)果對科學(xué)合理地檢驗、評價氯鹽類融雪劑具有重要的意義。
試驗藥品:氯化鈉(分析純)、20#碳鋼試片、2種市場在售緩蝕劑:緩蝕劑A、緩蝕劑B。
儀器設(shè)備:RCC-Ⅲ型旋轉(zhuǎn)掛片腐蝕試驗儀、CHZJ-800周期浸潤腐蝕試驗箱。
1.2.1 旋轉(zhuǎn)掛片法試驗
參照DB11/T 161—2012《融雪劑》和GB/T 18175—2014《水處理劑緩蝕性能的測定 旋轉(zhuǎn)掛片法》配制18%、10%、6%、2%的氯化鈉溶液,將試驗溫度分別設(shè)置為10、20、30、40℃,使用RCC-Ⅲ型旋轉(zhuǎn)掛片腐蝕試驗儀進行碳鋼腐蝕試驗。
緩蝕劑A、緩蝕劑B分別按照1.0%、0.46%的質(zhì)量百分比與氯化鈉混合配制成2種成品融雪劑,將2種成品融雪劑分別配制成含量18%的融雪劑溶液,按照DB11/T 161—2012《融雪劑》和GB/T 18175—2014《水處理劑緩蝕性能的測定旋轉(zhuǎn)掛片法》,使用RCC-Ⅲ型旋轉(zhuǎn)掛片腐蝕試驗儀進行碳鋼腐蝕試驗。
1.2.2 周期浸潤試驗
配制18%、10%、6%、2%的氯化鈉溶液參照標準TB/T 2375—93《鐵路用耐候鋼周期浸潤腐蝕試驗方法》,與旋轉(zhuǎn)掛片法設(shè)置相同的試驗溫度、相同的試驗時間和相同的評價指標使用CHZJ-800周期浸潤腐蝕試驗箱進行試驗。試驗溫度分別設(shè)置為10、20、30、40℃,試驗時間48 h,每一循環(huán)周期60 min,其中浸潤時間12 min,試驗結(jié)果以mm/a表示的腐蝕速率R按公式(1)計算得出
式中:R為腐蝕速率,mm/a;M為試驗前的試樣重量,g;Mt為試驗后的試樣重量,g;S為試驗試樣的總面積,cm2;T為試驗時間,h;D為試驗材料的密度,kg/m3;M0為浸泡后試樣重量,g;Mk為空白損失量,g;8.76×107為換算系數(shù)。
緩蝕劑A、緩蝕劑B分別按照1.0%、0.46%的質(zhì)量百分比與氯化鈉混合配制成2種成品融雪劑,將2種成品融雪劑分別配制成含量18%的融雪劑溶液,在40℃的溫度條件下進行上述試驗。
18%、10%、6%、2%的氯化鈉溶液在不同溫度下2種試驗方法的試驗結(jié)果見表1,為更加直觀地分析2種試驗方法碳鋼腐蝕率的變化規(guī)律,對表1部分試驗數(shù)據(jù)進行作圖分析,具體如圖1和圖2所示。
表1 周期浸潤法和旋轉(zhuǎn)掛片法試驗數(shù)據(jù)對比
通過分析試驗數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn),對同一含量的氯化鈉溶液,2種試驗方法的碳鋼腐蝕率隨溫度的升高都呈上升的趨勢,由圖1可知,隨著溫度的升高,18%的氯化鈉溶液周期浸潤法碳鋼腐蝕率從0.60 mm/a升至1.38 mm/a,旋轉(zhuǎn)掛片法碳鋼腐蝕率從0.26 mm/a升至0.41 mm/a,在30℃和40℃時周期浸潤法的腐蝕率分別為1.31 mm/a、1.38 mm/a,旋轉(zhuǎn)掛片法的腐蝕率分別為0.40 mm/a、0.41 mm/a,即18%的氯化鈉溶液在30℃和40℃時周期浸潤法的碳鋼腐蝕率是旋轉(zhuǎn)掛片法的3倍多,此時2種試驗方法的試驗結(jié)果相差最大。同樣地,10%的氯化鈉溶液周期浸潤法碳鋼腐蝕率從0.79 mm/a升至1.91 mm/a,旋轉(zhuǎn)掛片法碳鋼腐蝕率從0.46 mm/a升至0.78 mm/a;6%的氯化鈉溶液周期浸潤法碳鋼腐蝕率從0.92 mm/a升至2.49 mm/a,旋轉(zhuǎn)掛片法碳鋼腐蝕率從0.52 mm/a升至1.07 mm/a;2%的氯化鈉溶液周期浸潤法碳鋼腐蝕率從1.03 mm/a升至2.62 mm/a,旋轉(zhuǎn)掛片法碳鋼腐蝕率從0.61 mm/a升至1.38 mm/a,即10%、6%、2%的氯化鈉溶液的碳鋼腐蝕率均隨溫度升高變化明顯。
圖1 含量18%氯化鈉溶液不同溫度下2種試驗方法碳鋼腐蝕率比較
由圖2可知,在40℃的溫度條件下,2種試驗方法的碳鋼腐蝕率隨濃度的升高都呈下降的趨勢,說明2種試驗方法測得的氯化鈉溶液碳鋼腐蝕規(guī)律完全一致。在30、20、10℃溫度條件下的碳鋼腐蝕規(guī)律與40℃時相同。在所有試驗結(jié)果里,周期浸潤法的碳鋼腐蝕率最大值為2.62 mm/a,最小值為0.60 mm/a,旋轉(zhuǎn)掛片法的碳鋼腐蝕率最大值為1.38 mm/a,最小值為0.26 mm/a,說明周期浸潤試驗方法的試驗環(huán)境更為復(fù)雜,同樣含量的溶液在相同的溫度條件下對碳鋼試片的腐蝕更為嚴重。
圖2 不同含量氯化鈉溶液40℃時2種試驗方法碳鋼腐蝕率比較
氯化鈉與緩蝕劑配制的成品融雪劑溶液2種試驗方法的試驗結(jié)果見表2。
表2 成品融雪劑溶液周期浸潤法和旋轉(zhuǎn)掛片法試驗數(shù)據(jù)比對
通過比對發(fā)現(xiàn),對成品融雪劑配制的溶液進行碳鋼腐蝕試驗,周期浸潤法的碳鋼腐蝕率略高于旋轉(zhuǎn)掛片法,用緩蝕劑A配制的成品融雪劑,周期浸潤法和旋轉(zhuǎn)掛片法碳鋼腐蝕率分別為0.09 mm/a、0.05 mm/a,用緩蝕劑B配制的成品融雪劑,周期浸潤法和旋轉(zhuǎn)掛片法碳鋼腐蝕率分別為0.06 mm/a、0.04 mm/a。北京市地方標準DB11/T 161—2012《融雪劑》中的融雪劑技術(shù)指標規(guī)定碳鋼腐蝕率小于等于0.11 mm/a即為“合格”,依此判斷,用緩蝕劑A和緩蝕劑B配制的2種成品融雪劑都為合格產(chǎn)品。
根據(jù)本研究的試驗數(shù)據(jù),周期浸潤法的試驗結(jié)果均高于旋轉(zhuǎn)掛片法,因此在對評價標準做出適當調(diào)整的前提下,2種方法都能對合格的融雪劑產(chǎn)品作出合理的鑒定和評價。
根據(jù)本研究的試驗結(jié)果,獲得的結(jié)論如下。
(1)周期浸潤法和旋轉(zhuǎn)掛片法2種試驗方法的碳鋼腐蝕率隨溫度的升高都呈上升的趨勢,但隨溫度升高,周期浸潤法測得的碳鋼腐蝕率數(shù)值增大更加明顯,18%的氯化鈉溶液在30℃和40℃時周期浸潤法的碳鋼腐蝕率是旋轉(zhuǎn)掛片法的3倍多,此時2種試驗方法的試驗結(jié)果相差最大。
(2)周期浸潤法和旋轉(zhuǎn)掛片法2種試驗方法的碳鋼腐蝕率隨濃度的升高都呈下降的趨勢,在所有試驗結(jié)果里,周期浸潤法的碳鋼腐蝕率最大值為2.62 mm/a,旋轉(zhuǎn)掛片法的碳鋼腐蝕率最大值為1.38 mm/a,說明周期浸潤試驗方法的試驗環(huán)境更為復(fù)雜,同樣含量的溶液在相同的溫度條件下對碳鋼試片的腐蝕更為嚴重。
(3)實驗結(jié)果顯示,周期浸潤法的試驗結(jié)果均高于旋轉(zhuǎn)掛片法,因此在對評價標準作出適當調(diào)整的前提下,2種方法都能對合格的融雪劑產(chǎn)品作出合理的鑒定和評價。