除冰鹽對(duì)路面材料的影響

1、除冰鹽對(duì)路面材料的影響：介紹和最新發(fā)展 摘要：使用除冰劑對(duì)水泥混凝土和瀝青混凝土路面以及機(jī)場(chǎng)路面進(jìn)行冬季維護(hù)會(huì)對(duì)路面 造成影響，本文公布了對(duì)這些影響研究報(bào)告。傳統(tǒng)的和較新的除冰劑均被納入本研究報(bào) 告，例如氯化鈉、氯化鎂、氯化鈣、醋酸鈣、鎂、醋酸鉀、甲酸鉀、醋酸鈉和甲酸鈉。 除冰劑對(duì)水泥混凝土的不利影響主要通過以下三個(gè)途徑產(chǎn)生：1）在鹽的作用下起皮引 起的物理破壞，2）除冰劑與水泥間的化學(xué)反應(yīng)（特別是在氯化鎂和氯化鈣的存在的情 況下的陽離子化進(jìn)程）3）除冰劑的存在使堿-骨料反應(yīng)加重（如在氯化物、醋酸鹽和酸影 響堿-骨料反應(yīng)活性時(shí)的陰離子進(jìn)程和氯化鈣、氯化鎂影響堿碳酸鹽反應(yīng)活性時(shí)的陽離 子進(jìn)程）。

2、在近些年醋酸鹽和酸性除冰劑被用于路面除冰以前，除冰劑對(duì)瀝青混凝土路 面的影響是相對(duì)輕微的。所造成的損害機(jī)制，似乎是乳化反應(yīng)、蒸餾、以及瀝青混凝土 中產(chǎn)生的附加應(yīng)力的組合反應(yīng)。引言在氣候寒冷的地區(qū)，冰雪控制工作對(duì)于保證公路經(jīng)受寒冷和降雪天氣是至關(guān)重要 的。隨著除冰劑越來越多的使用，它對(duì)汽車、交通運(yùn)輸基礎(chǔ)設(shè)施和環(huán)境的影響，已引起 人們高度重視。氯型除冰劑對(duì)（鋼筋）混凝土結(jié)構(gòu)的有害影響是眾所周知的。除冰劑也 可能通過其與水泥石或骨料的反應(yīng)對(duì)混凝土基礎(chǔ)設(shè)施造成不利影響，從而減少混凝土的 完整性和強(qiáng)度，這反過來又可以促進(jìn)水分、氧氣和其他有害物質(zhì)侵略入鋼筋表面并且腐 蝕鋼筋。本文獻(xiàn)回顧并提出了各種常用除冰

3、劑對(duì)水泥、瀝青路面所造成的綜合影響，并 分別、詳細(xì)的介紹了引發(fā)破壞的各種機(jī)制。以下各節(jié)闡明了氯化鈉（NaCl）、氯化鈣 （CaCl2）和氯化鎂（MgCl2）對(duì)路面材料的影響，并同它們的替代品做了比較，如醋 酸鹽（CMA）、醋酸鉀（KAc）、鉀甲酸（KFM）、醋酸鈉（NaAc）、和甲酸鈉（NaFm）。除冰鹽對(duì)硅酸鹽水泥混凝土的作用以往對(duì)于除冰劑/混凝土相互作用的研究主要集中在除冰劑解決方案的研究。交通運(yùn) 輸集合基金研究調(diào)查了氯化鈉，氯化鈣，氯化鎂的混合鹽水對(duì)水泥混凝土 PCC）的不 利影響，并得出當(dāng)混凝土暴露在凍融循環(huán)條件和除冰劑環(huán)境下時(shí)會(huì)同時(shí)發(fā)生物理和化學(xué) 反應(yīng)的結(jié)論。根據(jù)規(guī)范ASTMC 66

4、6凍/融測(cè)試結(jié)果，邊長(zhǎng)10cm高5cm的矩形棱柱在濃度 為14%的MgCl2和15%的C aCl2中經(jīng)受300次的凍融循環(huán)，結(jié)果顯示長(zhǎng)度變化分別為 0.17%和0.18%，質(zhì)量變化分別為3.5%和-3.5%，損失的彈性模量分別為50%和40%。 比較而言，在18% NaCl中的棱柱長(zhǎng)度增長(zhǎng)不超過0.04%、質(zhì)量增加0.5%、彈性模量的 損失大約5%。重要證據(jù)表明氯化鎂和氯化鈣與水泥石存在化學(xué)反應(yīng)，如上述由水泥石 膨脹開裂的氧氯化階段。假如這些機(jī)制引發(fā)了明顯的膨脹開裂，包括透氣性增加和抗壓 強(qiáng)度的明顯損失。然而暴露于氯化鈉中并不會(huì)產(chǎn)生明顯的化學(xué)反應(yīng)和對(duì)砂漿或混凝土危 害。我們實(shí)驗(yàn)室在最近的一項(xiàng)研

5、究中研究了液體和固體除冰劑稀釋后對(duì)混凝土的影響， 例如1： 100到1： 3稀釋。SHRP H205.8實(shí)驗(yàn)室對(duì)凍融標(biāo)本用比重儀和顯微鏡的觀察結(jié) 果顯示，去離子水、醋酸鹽和氯化鎂溶液除冰劑對(duì)混凝土的耐久性有利，而乙酸鈉KFM 和NaFm混合除冰劑會(huì)造成混凝土少量質(zhì)量損失和品質(zhì)的明顯惡化。氯化鈉、含氯化鈉 的除冰劑和含醋酸鉀的除冰劑對(duì)混凝土是最有害的。除了物理性能的降低，調(diào)查還顯示 化學(xué)的或稀釋的除冰劑會(huì)和孔隙和裂縫中水泥水化物發(fā)生化學(xué)反應(yīng)并形成新的物質(zhì)。水 泥水化物在除冰劑誘導(dǎo)下的物理化學(xué)變化增加了混凝土耐久性方面的風(fēng)險(xiǎn)。另一個(gè)實(shí)驗(yàn)室同時(shí)研究了稀釋和濃縮除冰劑對(duì)混凝土的影響。將一組混凝土試塊分

6、 別放在蒸餾水和6.04摩爾離子濃度（相當(dāng)于15%的氯化鈉溶液）的氯化鈉、氯化鈣、氯 化鎂及醋酸鹽溶液或1.06摩爾離子濃度（相當(dāng)于3%氯化鈉溶液）的溶液中每周一次干 濕循環(huán)，持續(xù)長(zhǎng)達(dá)95個(gè)星期之久。在較低的濃度時(shí)，氯化鈉和氯化鈣對(duì)混凝土性能的負(fù) 面影響相對(duì)較小，而氯化鎂和醋酸鹽則會(huì)對(duì)混凝土產(chǎn)生較大破壞。在較高濃度時(shí)，氯化 鈉的負(fù)面作用有所加大，但總體仍然比較小，而氯化鈣，氯化鎂和醋酸鹽則會(huì)造成混凝 土質(zhì)量的明顯減少和強(qiáng)度、剛度的明顯降低。除了氯化物，醋酸鹽對(duì)混凝土的有害影響也得到了驗(yàn)證。在最近的實(shí)驗(yàn)研究中，水 泥砂漿樣本（水灰比（w/c）=0.485）在室溫下放置于28%的醋酸鹽中30天后失

7、去凝聚力并 且完全碎裂，并且鈣形成的鈣水合物的結(jié)構(gòu)形式可由X射線衍射結(jié)果證實(shí)。在另一項(xiàng)實(shí) 驗(yàn)研究中，放在濃縮了 25%的醋酸鹽溶液達(dá)8個(gè)月之久的優(yōu)質(zhì)混凝土試塊（w/c=0.45并且 有加氣劑），承載能力明顯降低，質(zhì)量損失嚴(yán)重，外觀質(zhì)量也明顯下降。當(dāng)在硅酸鹽水 泥熟料中摻入40%的高爐礦渣時(shí)，對(duì)醋酸鹽的這種負(fù)面影響有一定的緩解作用。醋酸鹽 對(duì)混凝土的有害影響好像和水泥基分層過程和氫氧化鈣流失有關(guān)，這在早先的研究中就 已報(bào)道。這些實(shí)驗(yàn)表明，除冰劑可能會(huì)從以下三個(gè)途徑對(duì)混凝土構(gòu)件和路面耐久性產(chǎn)生不利 影響：1）通過諸如在鹽的作用下起皮等的影響造成物理性能的下降；2）除冰劑與水泥 間的化學(xué)反應(yīng)；3）除

8、冰劑的存在使堿-骨料反應(yīng)加重。2.1,除冰劑作用下起皮-物理過程受除冰劑作用的物理機(jī)制可導(dǎo)致混凝土以一般的形式剝落、龜裂或水泥凝膠和骨料 解體。剝落是指局部脫落的堅(jiān)硬的混凝土面層，往往是凍融循環(huán)造成的。因?yàn)樗芤褐?在表面氣孔附近由于溫度波動(dòng)的凍融循環(huán)，所以剝落可以獨(dú)立出現(xiàn)在混凝土除冰劑作用 的表面。吸水飽和的混凝土中水的凍結(jié)對(duì)混凝土施加了很大的膨脹壓力，正是這樣的壓 力使混凝土表面剝落，特別是當(dāng)混凝土表面孔隙中沒有充裕的空氣作為保護(hù)時(shí)。許多研 究表明，當(dāng)經(jīng)歷凍融循環(huán)時(shí)，氯基除冰鹽會(huì)加劇混凝土的剝落。水分往往通過滲透壓向 高鹽度區(qū)域滲透。因此，如果空隙溶液中有鹽分，則滲透壓會(huì)增加這里的液壓力，

9、從而 增加混凝土物理破壞的危險(xiǎn)。此外，路面除冰鹽的應(yīng)用還增加了冷卻速度，從而增加了 凍融循環(huán)的次數(shù)，同時(shí)也增加了凍融破壞的風(fēng)險(xiǎn)。然而，除冰鹽的存在也是有益的，它 擴(kuò)大了發(fā)生物相變化的溫度范圍。這些相互作用確定了除冰鹽會(huì)造成混凝土的開裂，并 且一個(gè)探索研究實(shí)驗(yàn)室的研究表明，低濃度的除冰鹽（5%NaCl）除冰條件最差，中等 濃度（13%NaCl）的除冰條件最好。另一項(xiàng)研究表明，含有相對(duì)較高濃度溶解鹽的混凝 土比空隙中有清水的混凝土有較強(qiáng)的抵抗剝落的性能。在有除冰劑時(shí)混凝土的剝落，也 就是“鹽剝落”，被認(rèn)為是導(dǎo)致混凝土霜凍破壞的主要原因，并發(fā)現(xiàn)它和混凝土的質(zhì)量 （如孔隙率）、天氣條件和凍融循環(huán)次數(shù)密

10、切相關(guān)。由“鹽剝落”造成的混凝土的破壞 和鹽的種類（鉀、鈉、鎂、鈣）有關(guān)，而且不知由于什么原因含有鉀的鹽會(huì)造成更嚴(yán)重 的剝落破壞。報(bào)告稱醋酸鉀和碳化的混凝土表層作用會(huì)導(dǎo)致輕微的剝落。然而，最新發(fā) 現(xiàn)將混凝土放在醋酸鈉溶液中的是很有應(yīng)用價(jià)值的技術(shù)，它可以通過促進(jìn)孔隙內(nèi)晶體的 生成來阻止水分的進(jìn)入，從而延長(zhǎng)混凝土的使用壽命。這種有利影響是處理劣質(zhì)混凝土 （w/c=0.65,不加氣）的好方法。早期研究表明，減少孔隙率是對(duì)“鹽剝落”的最好預(yù) 防?，F(xiàn)在普遍認(rèn)為，利用適當(dāng)?shù)奶幚矸椒?，加氣混凝土就?huì)抵抗由于凍融循環(huán)造成的破 壞。例如，加氣5%7%的高品質(zhì)混凝土耐凍融循環(huán)和剝落的性能更好。在混凝土中引 入空氣

11、能提供水分膨脹和遷移的空間，從而減少了潛在壓力和相關(guān)的破壞。對(duì)于加氣混 凝土，孔隙似乎是其預(yù)留足夠抗鹽水膨脹能力的主要因素。應(yīng)指出，加氣只是減緩了凍 融過程而不是預(yù)防。補(bǔ)充膠凝材料，特別是粉煤灰，已被廣泛報(bào)道對(duì)加氣量適中的混凝 土抵抗剝落是有害的，因?yàn)樗黾踊炷恋目紫堵屎徒Y(jié)合水的含量。一項(xiàng)研究建議 最好是在經(jīng)受鹽剝落之前讓高粉煤灰摻量的混凝土產(chǎn)生足夠的強(qiáng)度。相反，一些膠凝材 料的使用，如磷酸鎂基水泥漿和氧化鎂、單磷銨和粉煤灰適量混合時(shí)，可提高砂漿和混 凝土抵御冰凍和除冰破壞的性能。2.2.除冰劑與混凝土之間的反應(yīng)一陽離子化的化學(xué)反應(yīng)在除冰劑作用下的化學(xué)物質(zhì)會(huì)導(dǎo)致混凝土各種形式的破壞，例如龜裂、粘結(jié)破壞、 破碎、強(qiáng)度下降、質(zhì)量增長(zhǎng)和體積膨脹。以下是減輕除冰劑破壞的幾條建議：1）使用 少量的除