Снижение уровня воздействия противогололедных материалов (ПГМ) на металлические или цементобетонные покрытия – одна из самых актуальных проблем в сфере зимнего содержания дорог.
Суровые погодные условия: снегопады, резкие колебания температур, – обуславливают необходимость обработки проезжей части и пешеходных зон соляными составами, плавящими лед. Однако рассолы, образующиеся на поверхности, обладают определенной коррозионной активностью, то есть способностью разрушать материалы: дорожное полотно, мосты, бордюры, туннели, автотранспорт и так далее.
При этом к разрушению приводят как фрикционные, так и химические антигололедные средства. Первая группа деформирует поверхность за счет физического воздействия. Щебень, песок, отсевы дробления под колесами автомобилей стирают как шины, так и асфальт. А также, вылетая из-под колес автомобилей, приводят к сколам и повреждениям лакокрасочного покрытия, которое быстрее ржавеет под воздействием влаги и воздуха.
Вторая группа, образуя соляные растворы, ускоряет процесс окисления металла либо, если мы говорим о влиянии на цементобетонные поверхности, вызывает его ускоренное разрушение.
Каким-либо способом снизить негативное воздействие фрикционных материалов невозможно. Использование очень мягких или более мелких видов щебня и песка уменьшает их способность образовывать шероховатый слой и увеличивать коэффициент сцепления колес с дорогой, а также сильно загрязняет воздух.
Уровень же коррозионной активности химических реагентов зависит от компонентов, входящих в состав противогололедных смесей.
Свойства основных видов реагентов достаточно хорошо изучены и позволяют выявить некоторые закономерности. Самыми агрессивными к металлу являются хлориды магния и кальция. Наименее разрушающие свойства среди антигололедных средств показывает формиат натрия – почти в шесть раз ниже предельно допустимого уровня, установленного в требованиях к противогололедным материалам межгосударственным ГОСТом 33389, а также российскими дорожными нормативными документами.
Таблица 1. Коррозионная активность некоторых компонентов противогололедных материалов*
* Показатель коррозионной активности может изменяться в зависимости от доли действующего вещества, наличия примесей и т.д. Данные – из протокола испытаний коррозионной активности Института экологии и энергосберегающих технологий.
При таких высоких показателях коррозионной активности противогололедные материалы, состоящие только из хлоридных компонентов, имеют ряд ограничений. Например, согласно ОДМ 218.5.006-2008 «Методические рекомендации по применению экологически чистых антигололедных материалов» использование на мостовых сооружениях хлорсодержащих реагентов запрещено. Для борьбы с гололедом на этих конструктивных элементах должны применятся материалы на основе ацетатов, нитратов, формиатов и карбамидов – наименее коррозионно-активных веществ. Однако уменьшение воздействия реагентов на металл актуально не только на мостах. Поэтому некоторые производители добавляют с этой целью в ПГМ ингибиторы коррозии – сложные по составу вещества, тормозящие коррозийные процессы металлов. Применяются они чаще всего как добавки к композициям и смесям для формирования устойчивых покрытий, замедляющих электродные процессы, и для изменения электрохимических свойств материалов. Они широко и активно применяются в нефтехимической и нефтеперерабатывающей, машиностроительной и металлургической промышленности, в системах водоснабжения, энергетических установках, их вводят в смазки, топливо, масла и другие вещества. Сложность применения веществ, замедляющих скорость коррозии в случае противогололедных материалов, объясняется тем, что такие материалы применяются в открытых системах, а следовательно, количество таких веществ в составе материала должно быть значительно больше, чем в закрытых системах.
По механизму действия ингибиторы коррозии делятся на следующие классы:
– пассиваторы. Не адсорбируясь на поверхности, такого рода ингибиторы вступают в реакцию с металлом, создавая нерастворимые пленочные соединения. Металлическая поверхность, подвергнутая пассивации, почти невосприимчива к коррозии;
– адсорбционные ингибиторы. Они образуют устойчивую адсорбционную или фазовую пленку на поверхности металла, которая в свою очередь замедляет электрохимические реакции.
Что касается противогололедных материалов, то применение пассиваторов для них недопустимо по ряду причин. Во-первых, вступая в реакцию с металлом, они нарушают эстетический вид изделий и машин. Во-вторых, они малоэффективны в связи с присутствием в противогололедном материале большого количества хлоридов. При несоответствии кислотности среды, неправильно подобранной концентрации или при наличии ионов хлора пассиваторы могут усилить коррозийные процессы, вызвав точечную коррозию.
Таким образом, основной тип применяемых при производстве ПГМ ингибиторов коррозии имеет адсорбционное действие. Однако и в данном случае есть ряд ограничений, связанных с безопасностью их применения на дорогах общего пользования.
Механизм действия ингибиторов коррозии определяется их адсорбционными и гидрофобными свойствами. Маслорастворимые ингибиторы коррозии вытесняют с поверхности металла воду, образуя при этом адсорбционную гидрофобную пленку, которая не пропускает воду и не разрушается водой; таким образом, электрохимическая коррозия металла не может протекать. Химическая коррозия также не развивается в связи с тем, что маслорастворимый ингибитор коррозии химически инертен к металлу. Соответственно, чем прочнее пленка на поверхности, тем выше защита металла от коррозии, но обратной стороной данного процесса является снижение коэффициента сцепления за счет образования жирной пленки на поверхности. Это снижает безопасность движения и тем самым снижает эффективность применения ПГМ.
В условиях значительного количества ингибиторов коррозии в смеси также встает вопрос снижения основных свойств противогололедных материалов – плавящей способности и температуры начала кристаллизации ПГМ. Это связано со снижением доли основного вещества в реагенте.
Таким образом, наиболее эффективными веществами, замедляющими коррозию, в случае с антигололедными средствами являются соединения, не только проявляющие ингибирующее действие, но и плавящие снежно-ледяные отложения. С точки зрения химии наиболее распространенными соединениями данного типа являются соли жирных органических кислот.
Самые первые представители в этом ряду – формиаты. Неплохой плавящей способностью, а также возможностью применения при низких температурах отличаются также ацетаты, но они, подвергаясь гидролизу при взаимодействии с водой, выделяют уксусную кислоту и в результате обладают специфическим запахом. Поэтому ацетаты в населенных пунктах не используются.
Таблица 2. Плавящая способность ацетатов, формиатов *
2ВИАМ/2010-205711 «Низкотемпературные противогололедные композиции в водно-солевых системах, включающие ацетаты и формиаты».
В то же время формиаты не обладают запахом, быстро разлагаются на углекислый газ и воду, имеют высокую плавящую способность и низкую коррозионную активность. При добавлении в композиции хлоридных реагентов формиат проявляет ингибирующие свойства и снижает их коррозионную активность. Так, состав из 20% хлорида кальция и 80% хлорида натрия имеет показатель около 0,79 мг/(см2 •сутки), а при добавлении даже 10% формиата натрия потеря стали марки 3 уменьшается на треть. При этом реагент сохраняет высокую плавящую способность. В настоящее время на рынке противогололедных материалов представлены многокомпонентные композиции с формиатом натрия, воздействие на металл которых лежит в пределах от 0,14 до 0,4 мг/(см2 •сутки), что в несколько раз ниже, чем показатели хлорида натрия, кальция и магния (заключение РОСДОРНИИ).
В случае с противогололедными материалами применение ингибиторов коррозии – своеобразный компромисс между коррозионной активностью и безопасностью движения. Таким образом, формиат натрия в сумме обладает набором необходимых качеств для применения в антигололедных композициях.
