干湿交替法研究融雪剂对钢筋的腐蚀行为陶鹏,许淳淳(北京化工大学材料科学与工程学院,北京100029)摘 要:模拟自然条件下钢筋在融雪剂中的腐蚀环境,采用干湿交替浸泡试验,用失重法测定几种不同浓度的商品融雪剂对钢筋的腐蚀速度,同时借助扫描电镜分析腐蚀产物的表面形貌,结果表明当融雪剂溶液浓度为15%～20%时,钢筋的腐蚀速度最小;而浓度为3.5%时,钢筋的腐蚀速度最大。
关键词:融雪剂;干湿交替;扫描电镜;腐蚀速度中图分类号:T G172.6 文献标识码:A 文章编号:10052748X (2007)0920452203TESTIN G O F CORROSION B E HAV IORS O F STEEL BA R IN D EICIN G SAL T B YU SIN G AL TERNA TE IMM ERSIONTAO Peng ,XU Chun 2chun(College of Material Science and Engineering ,Beijing University of Chemical Engineering ,Beijing 100029,China )Abstract :Corrosion velocity of steel bar in deicing salt of different concentrations was mensurated by weight 2lossmethod in alternate immersion test which simulated the natural corrosion environment.The corrosion surface was observed with scanning electron microscopy.The corrotion rate was minimum at the concentration of deicing salt from 15%to 20%and maximum at the concentration of 3.5%.K ey w ords :Deicing salt ;Alternate immersion testing ;SEM ;Corrosion velocity0 引 言食盐是过去常用的融雪剂,它资源丰富、价格低廉,化雪效果好,但它对钢筋、混凝土路面以及动植物的危害性都相当大[1],是诱发钢筋腐蚀的重要因素之一,严重威胁道路、桥梁等基础设施的安全[2]。
上世纪七十年代后期,因使用融雪剂,美国的桥梁半数以上受到腐蚀破坏[3]。
现在,融雪剂的生产厂家和研究单位都在试图研究腐蚀作用小的融雪剂,也做过一些测腐蚀速度的试验[4]。
目前测试融雪剂对钢筋的腐蚀速度大都是采用恒温浸泡或旋转挂片失重法,但是考虑到实际情况,融雪剂在化雪过程中呈液态、蒸干或凝结的干湿交替状态。
这种对钢筋的腐蚀过程不是只靠全浸试验就能反映的,所以本试验采用与实际情况较接近的干湿交替法。
融雪剂的浓度对钢铁的腐蚀速度影响很大,但国内外的文献鲜有报导,本工作通过测定融雪剂不同浓度时钢铁的腐蚀速度,研究融雪剂的浓度对钢筋腐蚀性的影响,为环卫部门配制和使用融雪剂提供科学依据。
收稿日期:20062102251 试验方法干湿交替试验采用ASTM G44-75标准[5]的方法,根据单位时间内试片腐蚀失重来表示腐蚀速度[6],并采用扫描电镜观察试片表面的腐蚀形貌。
(1)试剂 选取了5种融雪剂,氯化钠(北京化学试剂公司化学纯)、氯化钙(北京化学试剂公司化学纯)、DS1(天津)、DS2(山东)、DS3(北京)。
其中氯化钠和氯化钙是过去常用的融雪剂,DS1、DS2、DS3是现在市场上供应的融雪剂,其成分主要是氯盐,添加了缓蚀剂及其它助剂组成氯盐混合物。
在配制融雪剂溶液时,为了研究浓度对腐蚀速度的影响,用上述5种融雪剂和去离子水分别配制了315%、10%、15%和20%四种浓度的融雪剂溶液。
(2)试片制备 试片选用和钢筋成分相近的40#钢。
将40#钢标准试片(50mm ×25mm ×2mm )打磨,使表面光滑如镜面,无明显的孔隙和划痕,然后清洗除油,置于干燥器内24h 后用T G328A 分析天平称重(精确到0.1mg ),编号。
(3)干湿交替试验步骤 在250ml 的烧杯中分别加入不同种类不同浓度的融雪剂溶液(室温),・254・第28卷第9期2007年9月腐蚀与防护CORROSION &PRO TECTIONVol.28 No.9September 2007每个烧杯挂入2片已称重的试片,从早9点开始,将试片浸入溶液10min后再取出置于空气中50min,直至下午17点,17点开始试片浸入所配制的溶液4小时至21点,21点取出挂在铁架台上暴露于空气中,直到次日9点,即一天为一个循环。
整个过程中定时补加蒸馏水至规定刻度以维持溶液浓度不变,试验周期为30天。
对腐蚀后的试片进行清洗、干燥、称重。
(4)表面分析 采用J SM235CF扫描电镜对腐蚀后的试片做表面分析。
2 结果与讨论(1)数据分析 各融雪剂的平均腐蚀速度如表1所示。
表1 融雪剂溶液的腐蚀速度融雪剂种类质量浓度失重前,g失重后,g 腐蚀速度, g/(m2・h)氯化钠 3.5%25.597324.17740.7043 10%25.580724.62150.475815%26.019225.22540.393820%25.451824.74650.3499氯化钙 3.5%25.828324.57040.6240 10%25.651824.95720.344515%25.524525.02930.245620%24.703924.17340.2631 DS1 3.5%25.854124.85290.4966 10%25.771025.54260.113315%25.887525.42370.230120%25.579025.39440.0916 DS2 3.5%25.255924.00450.6207 10%25.595324.83030.379515%25.790525.30860.239020%25.573225.07310.2481 DS3 3.5%25.172824.15670.5040 10%25.708125.46560.120315%25.543625.43170.055520%24.752224.61740.0669为进一步说明不同浓度的各种融雪剂对钢铁腐蚀性的强弱,分别做出同种融雪剂不同浓度、同样浓度不同种融雪剂的腐蚀速度的图表,如图1、2所示。
由图1可见,在浓度为3.5%时,腐蚀速度由大至小的顺序为:氯化钠>氯化钙>DS2>DS3> DS1;在10%时:氯化钠>DS2>氯化钙>DS3> DS1;而在15%和20%时:氯化钠>氯化钙>DS2> DS1>DS3。
由图2对不同浓度的同种融雪剂的比较可以看出,引起腐蚀速度由大至小的氯化钠溶液图1 相同浓度不同融雪剂溶液时的腐蚀速度图2 相同融雪剂溶液不同浓度时的腐蚀速度浓度顺序是3.5%>10%>15%>20%;氯化钙溶液浓度顺序是3.5%>10%>20%>15%;DS1溶液浓度顺序是3.5%>15%>10%>20%;DS2和DS3溶液的浓度顺序是3.5%>10%>20%> 15%。
纵观两图可以清晰地看出不同浓度的融雪剂溶液的腐蚀情况,氯化钠和氯化钙的腐蚀速度要大于DS1、DS2和DS3。
其中腐蚀最强的是3.5%的氯化钠,最弱的是15%的DS3。
(2)讨论 钢铁在融雪剂溶液中发生电化学反应为[7]:Fe+2Cl-[FeCl2]2-[FeCl2]2--2e FeCl2 FeCl2很容易进入溶液并发生电离:FeCl2Fe2++2Cl- 于是溶液中的Fe2+和O H-结合成Fe(O H)2。
Fe(O H)2又和溶解在水中的氧作用生成Fe (O H)3,即4Fe(O H)2+O2+2H2O4Fe(O H)3 当溶液浓度在3.5%以下时,Cl-的浓度对腐蚀反应的速度起决定作用,即随着Cl-浓度的增加,溶液电导率增大,腐蚀速度增大;随着浓度增加,溶解氧的浓度减少,溶液中的溶解氧的阴极去极化作用对腐蚀起决定作用,即随浓度增加,腐蚀速度减小。
这一结论与图1和图2的结果相呼应。
(3)表面形貌分析 将腐蚀后的试片干燥后置于J SM235CF扫描电镜下观察表面形貌,见图3。
・354・(a ) 3.5%氯化钠溶液(b ) 3.5%氯化钙溶液(c ) 3.5%DS2溶液(d ) 3.5%DS3溶液(e ) 3.5%DS1溶液(f ) 20%DS3溶液图3 试片表面的腐蚀形貌 由图3可以看出,试片在3.5%的氯化钠、氯化钙、DS2、DS3和DS1溶液中腐蚀后,表面出现杂乱无章的凸起、很深的孔洞和粗大的颗粒;而在20%的DS3溶液中的试片表面腐蚀产物颗粒细小,孔洞也变小。
图3a 至图3f ,腐蚀的产物膜由疏松变得致密,孔洞由深变浅,颗粒由大变小,这一现象与已测得的腐蚀速度结果相吻合。
3 结 论(1)五种融雪剂在质量浓度为3.5%时,腐蚀速度都是最大,但随着浓度的增大,腐蚀速度降低。
在15%～20%时腐蚀速度最小。
(2)现用的商品融雪剂的浓度为15%时的腐蚀速度大小顺序为DS2>DS1>DS3,由于添加缓蚀剂等助剂,钢筋的腐蚀速度下降到使用氯化钠时的几分之一到十几分之一。
参考文献:[1] 洪乃丰.融雪剂及其对基础设施的腐蚀危害[J ].建筑技术,2004,35(4):256-258.[2] 傅沛兴.北京地区融雪剂问题与防钢筋锈蚀措施[J ].建筑技术开发,2003,30(2):25-26.[3] 洪乃丰.氯盐融雪剂是把“双刃剑”[J ].城市与减灾,2005(4):19-21.[4] 程川海,路新瀛.新型融雪剂对钢筋的腐蚀性研究[J ].建筑技术,2005,36(9):700-702.[5] ASTM G 44-75.Standard recommended practice foralternate immersion stress corrosion testing in 3.5%sodium chloride solution[S].[6] 魏宝明.金属腐蚀理论及应用[M ].北京:化学工业出版社,1996:6-7.[7] 迟培云,袁建成,杨崎.高性能钢筋阻锈剂的研究与应用[J ].混凝土,2005,183(1):52-54.・信息・《高性能耐蚀合金材料产品技术开发》通过验收由上海材料研究所特种金属材料事业部承担的“高性能耐蚀合金材料产品技术开发”项目通过上海市科学技术委员会主持的验收。