淺析工程用格賓網鋅鋁合金鍍層中鋁含量的分析方法

劉 康 陳艷麗 王 誠 李 琳

（江蘇省水利科學研究院， 江蘇 揚州 225000）

0 引言

格賓網又名石籠網，格賓網在中國一般被稱作生態綠格網，在國外，這種產品被制作成一種名為“gabion”的結構箱體。格賓網是單詞“gabion”的音譯，簡明英語詞典中的解釋是：篾筐，金屬筐。其籠體是用數根綁絲組裝，捆扎方法分為兩種：一種是連續纏繞，另一種則是按一定間距綁扎，具體可根據設計要求；另一個部分是籠蓋，可分為分體式和連體式兩種[1]。

其主要用途可以分為以下三個方面：

一、控制和引導河流及洪水：格賓網可使河床河岸得到永久性保護，有效防止水流沖刷河岸使其破壞，引發洪水泛濫，導致生命財產遭受大量損失，水土大量流失。

二、渠道、運河、河床：天然河流改造和人工渠道開挖時，格賓網可對河岸或河床起到有效的永久性保護，它還能控制水的流量，防止水流失，特別是在環境保護和水質保持上，具有極佳的功效。

三、護岸護坡：石籠格賓網結構應用與江河湖岸和其坡腳防護方面是非常成功的案例，它充分發揮了生態格網的優點，達到其他方法無法實現的理想效果。

其防護技術特點主要有以下幾個方面[2]：

一、親水性好。格賓網石籠間的孔隙，有利于水體流動，為水土自然交換創造了條件。

二、耐久性好，使用壽命長。格賓網材料采用熱鍍鋅工藝使表面鍍層更加穩定，有效減少鋼絲氧化作用，經涂覆后的鋼絲能有效提高使用壽命。

三、抗震性能好。箱籠系柔性結構，受震后有小幅變異，但不影響整體結構，更不可能產生裂縫。

格賓網合金鍍層的組成：

合金鍍層的主要成分為Zn和Al，還有一些Fe、Cu等金屬微量元素。其中Al含量對格賓網的抗腐蝕性起到了決定性作用。眾所周知，格賓網一般用途是包裹在混凝土表面，從而提高混凝土抗沖擊能力，特別是在河道與河床以及護坡部位用的最為廣泛，但是在防護期間，格賓網與河水，海水是直接接觸的，而河海水域中存在一定量的Cl-，尤其是海水，其Cl-含量甚至達到了數萬mg/L；一般來說，對金屬腐蝕最嚴重的也就是Cl-，其腐蝕原理則是Cl-與金屬發生了電化學反應，久而久之，導致金屬逐漸消融。

格賓網是Fe固體表面覆蓋了一層合金鍍層，其中Al可以在表面形成致密的Al2O3氧化膜，有效的減緩了河海中Cl-對Fe質固體的侵蝕，因此，Al含量成為了格賓網檢測的一個重要質控點，其分析方法的準確性和可操作性就變得尤為重要。為了適應市場的需要，GB/T 20492-2006《鋅-5%鋁-混合稀土合金鍍層鋼絲、鋼絞線》，針對Al含量分析的標準就應運而生了。

1 鋁含量測定方法的機理分析

（1）根據GB/T 20492-2006附錄A中闡述，首先將合金鍍層溶解，在微酸性條件下加入過量的EDTA，使得溶解有鍍層的溶液中的Zn，Fe及Cu離子分別與EDTA形成Zn2+—EDTA、

Fe2+—EDTA及Cu2+—EDTA絡合物，然后在乙酸條件下，加熱煮沸Al也形成Al3+—EDTA絡合物，此時加入二甲酚橙，繼續用Pb（NO3）2標準滴定溶液滴定，由于Pb2+—EDTA絡合物比Pb2+—二甲酚橙絡合物（紫紅色）的K穩值大得多，更穩定，所以Pb2+先與過量的EDTA絡合，再與二甲酚橙絡合，當橙紅色突變為紫紅色時，即溶液中過量的EDTA被消耗殆盡。

（2）加入KF固體，是為了將Al3+—EDTA絡合物解蔽，釋放出與Al3+等量的EDTA，繼續用Pb（NO3）2溶液返滴定釋放出的EDTA，同理，當溶液由橙紅色突變至紫紅色時，即為滴定終點，由此計算鋁含量。

2 合金鍍層中鋁含量測定存在的問題

在進行鋁含量檢測的過程中，出現了以下異常現象。

（1）在文獻A.3.2中“加入10mL緩沖溶液”[2]后，加入4~5滴二甲酚橙指示劑，正常現象應為橙黃色，然后用0.025mol/LPb（NO3）2標準滴定溶液滴至紅色，但是結果卻發現滴入二甲酚橙后，未滴定溶液立馬變成了紅色，無法進行終點判斷。

（2）試樣規格D為2.60mm，單位面積鍍層質量為277.23g/m2，鋁含量設計值為10%。

（3）制備試樣時，按照文獻中A.3.1中取6根5cm長試樣[1]，并沒有考慮到樣品規格和單位面積鍍層質量以及合金鍍層中鋁含量。

（4）對此，我們選取了直徑相同，但是單位面積鍍層質量各異的鋼絲做對比試驗，結果見表1。

表1 相同直徑、不同單位面積鍍層質量以及合金質量 Al3+含量設計值：5%

由表 1可知，相同規格的鋼絲，其單位面積鍍層質量不同，取樣長度相同的條件下，合金質量差別很大。

（5）我們又選取了不同直徑，單位面積鍍層質量設計值相同的鋼絲做對比實驗，結果見表2。

表2 不同直徑、相同單位面積鍍層質量以及合金質量 Al3+含量設計值：5%

由表 2可知，若單位面積鍍層質量相似，鋼絲直徑不同，取樣長度相同的條件下，合金質量也迥異。

綜上所述，不同規格的鋼絲，取樣長度相同的條件下，合金質量差別很大，實驗現象異常應該與試驗試劑加入量有關。

3 試驗試劑加入量探究

（1）所需EDTA量是可以用以下公式來表示的，假設合金質量為m g，Zn2+含量為ω%，那Al3+含量則為（1-ω）%，其他含量極低的微量元素可忽略不計。

因絡合分析液中Zn2+所消耗的 EDTA量：

其中：m --------- 合金質量，g；

ω --------- Zn2+含量，%；

1-ω --------- Al3+含量，%；

25/200-------- 分液率；

65.38 --------- Zn的相對原子質量；

26.98 --------- Al的相對原子質量。

由上述公式可知，在Al3+含量一定的條件下，用于絡合鍍層中Zn2+、Al3+的EDTA量隨合金質量的增大而增大，說明了所需EDTA量并不是固定的。

4 合金質量的控制

式中：D ----------- 鋼絲直徑，mm；

L ----------- 鋼絲長度，cm；

ρ ----------- 鋼絲單位面積鍍層質量，g/m2

m ----------- 合金鍍層質量，g

假設鋼絲鍍層Al3+含量為5%，則Zn2+含量為95%。

V1+V2=25mL，結合公式（1）、（2）解得m=0.6104g

綜上所述，對于鍍層Al3+含量為5%的鋼絲而言，若無異常現象發生，解決措施如下：

① 將合金質量估算值控制在0.6±0.01g；

② 適當過量：將EDTA加入量由25mL提升至30mL。

③ 若不考慮合金質量影響，由公式（1）、（2）可推算，需加入大量EDTA方可解決。

顯然①、②措施較為合理，而③不僅具有不可控性，還在一定程度上會造成化學試劑不必要的損耗。

注：根據公式（3），若要控制合金質量在一定范圍，只需根據鋼絲直徑，鋼絲單位面積鍍層質量，即可得出所需取樣長度，從而達到控制合金質量的目的。

5 對于市場現行的鍍層中10%Al3+含量的新型鋼絲的探究

假設控制合金質量為0.6±0.01g，鍍層中Al3+含量為設計值10%，則根據以上公式V1、V2可推算出所需EDTA絡合Zn2+、Al3+總消耗量約為26mL，而市場上生產出的鋼絲鍍層Al3+含量的實際值≥10%。

舉例：假設鍍層中Al3+含量的實際值為18%，合金質量為0.6g，則EDTA總消耗量約為28mL，而EDTA應適當過量，顯然30mL是不足量的，故EDTA實際加入量應提升至35mL，此EDTA用量也能夠滿足5%Al3+含量分析要求。

6 對改進方案的佐證

分別取六種不同規格的鋼絲做對比試驗，編號分別為①，②，③，④，⑤，⑥，其中①，②，③的鍍層Al3+含量設計值為5%，而④，⑤，⑥的鍍層Al3+含量設計值為10%，直徑和單位面積鍍層質量各不相同，具體結果如表3，4所示。

表4 鋼絲鍍層Al3+含量、合金質量和鍍層質量 Al3+含量設計值：10%

由表3，4可知，①，②，③，④，⑤，⑥所需取樣長度是不相同的，但是合金質量都被控制在0.6000±0.0500g，，加入的EDTA量均為35mL，且實驗現象明顯無異常（終點判斷：橙紅色變為紫紅色），同時也證明了筆者先前的假設與猜想。

7 結論與展望

從本次對比實驗結果來看，對于同一種檢測方法而言，不同規格的鋼絲制品，其所需取樣數量及試劑用量也是各不相同。現行標準GB/T 20492-2006《鋅-5%鋁-混合稀土合金鍍層鋼絲、鋼絞線》，只是相對于傳統規格的格賓網而言的，這與當時的科技發展程度以及人們對其認知的局限性是密不可分的。但是隨著時代的不斷發展，工程質量也不斷提高，產品也隨之更新換代，此時，如果仍然按照與傳統產品相匹配的傳統方法去分析樣品，顯然是不合理的。在此，為了更好的服務于社會與大眾，也為了保證試驗結果的公正性與準確性，則需要對 GB/T 20492-2006《鋅-5%鋁-混合稀土合金鍍層鋼絲、鋼絞線》中的附錄A進行修訂。

[1]樊建鋒.格賓網在汾河太原城區段治理美化二期工程中的應用[J].水利水電技術,2018(5),第38卷:33.

[2]劉銘飛.格賓網生態石籠生態防護技術在紅旗水庫護坡工程中的應用[J].現代農業科技,2012(4):263-264.

[3]GB/T 20492-2006.鋅-5%鋁-混合稀土合金鍍層鋼絲?鋼絞線[S].2006.