火焰光度法分析水泥堿含量試驗關鍵點控制

卓美君

福州建通工程試驗檢測有限公司，福建 福州 350000

1 工程項目概況

連江粗蘆島二橋及接線公路工程項目靠海，自然風雨多且鹽堿量大，為保證混凝土實體結構的安全性和耐久性，該項目采用火焰光度法實時監測水泥中的堿含量。

2 火焰光度法概述

火焰光度法測定水泥堿含量的微觀原理分解如下：火焰光度計用火焰燃燒的熱量把鉀、鈉的電子從最初所呆的能量道激發到更高一級的能量道上,而與此同時內部的原子核卻在搶著把跳躍的鉀、鈉電子拉扯回來，拉扯回來的過程中鉀和鈉電子需要通過發射光波把原來吸收的熱量“吐”回去，這時候鉀電子就發出766nm 的光波，鈉電子就發出589nm 的光波，光焰光度計通過使用濾光片把這兩種光波分別過濾出來，各自在光電池上面產生光電流，火焰光度計的檢流計能檢測出各元素對應得光電流強度，而這個光電流強度剛好正比于溶液中對應的元素含量，火焰光度法就是利用這個原理對水泥中的鉀鈉含量進行定量測定，堿含量結果按Na2O+0.658K2O 計算。

3 火焰光度法檢測水泥堿含量應控制的關鍵點

3.1 火焰光度計的選用與置放環境

根據實踐經驗數據發現，水泥中的堿含量濃度很小，屬于微量分析，因此必須采用量程中等，精度高的水泥行業專用火焰光度計進行測定。目前市面上的非水泥行業專用火焰光度計量程大，精度粗糙，不能滿足水泥堿含量化學分析，即使勉強能滿足其結果重復性也很差，能力驗證往往無法通過，選用水泥行業專用火焰光度計是這個化學分析試驗最關鍵的第一步。

火焰光度計置放環境要求：溫度小于30℃，濕度不大于85%，無灰塵，不受噪聲及振動干擾，房間內有適宜的、便于觀察火焰的光線。

3.2 鉑皿的選用與維護保養規則

現行規范GB/T 176-2017《水泥化學分析方法》中明確規定鉑皿容量要達到100～150mL，因為試驗加熱過程中Ca 與H2S04 發生劇烈反應，小容量鉑皿易造成樣品濺灑，導致結果偏低。因此對鉑皿的選用要求是：容量接近上限，底座穩扎，高度適中。

實踐經驗發現，鉑皿使用過程中的維護和保養至關重要，應該控制以下關鍵點：(1)為了防止鉑氧化損耗，明火不能用來加熱鉑皿，電熱爐或電熱板加熱是首選；也不能在鉑皿內熔融含P、C、S、重金屬的物質。（2）鉑皿里面有難纏的附著物黏著時，可以將K2S2O5或Na2CO3放在鉑皿里面熔化清洗。(3)時間長了，鉑皿如果有銹蝕氧化物附著，可以用細砂紙輕柔地擦去。(4)千萬不要使用蠻力或者尖銳物器刮取鉑皿試驗過程中的化學反應固體物。(5)有條件的情況下，測定堿含量的鉑皿盡量專皿專用，不與其他試驗混用。

3.3 加入氫氟酸和硫酸的細節

試驗中需采用氫氟酸和硫酸(1+1)聯合蒸發處理試樣，在加酸之前一定要用少量水將試樣均勻沖散，然后搖動鉑皿慢慢加入酸液，為了保障人身健康安全，加入過程中應全程佩戴乳膠手套，在通風櫥下操作。

試驗第一步的化學反應是氫氟酸負責將水泥試樣中的二氧化硅去除，而硫酸負責跟金屬陽離子結合生成溶解性硫酸鹽，這些金屬陽離子包含了K、Na、Ca、Fe、Al、Mg，規范規定氫氟酸的加入量為5～7mL［1］，規定硫酸的加入量為15 滴～20 滴，這里要特別注意的是，硫酸一定要加夠，硫酸加的不夠會導致多余的金屬陽離子跟氫氟酸去反應了，生成一些金屬氟化物，這些氟化物會把Na3AlF6或NaF 覆蓋掉，后續測到的Na 就偏少了，因此硫酸應該硬性規定加入20 滴，取規范規定的上限值為宜。

氫氟酸是發煙的刺激性酸液，極易揮發，能迅速腐蝕玻璃，若采用玻璃量杯加入試樣，玻璃被腐蝕后玻璃中的鈉就進入了試樣溶液中，鈉的測定結果就會嚴重偏高，甚至超出儀器量程范圍。因此，試驗過程中所有接觸氫氟酸或者試樣溶液的器皿應該盡量避免使用玻璃材質，一定要選用塑料材質，量取氫氟酸時應選擇市面上能準確量取5mL～10mL 的塑料量杯，玻璃攪拌棍應在端頭套上橡膠套、過濾漏斗也應該使用塑料材質。根據水泥中二氧化硅含量的經驗值，一般加入規范規定的5mL～7mL 氫氟酸就足夠了，目前市面上10mL 左右的塑料量杯最低讀數是5mL，然后是10mL，為了讓空白試驗和試樣分析試驗的氫氟酸加入量絕對相等，選取讀數10mL 最為方便，多余的氫氟酸在后續加熱過程中驅發殆盡，不會對后續試驗造成干擾，因此這里也可硬性規定讀數上限10mL 作為氫氟酸的加入量。

使用塑料材質接觸氫氟酸，這是不起眼的細節卻是很關鍵的一步。實踐中特意對此進行了探索，測定情況對比如下表：

表1 使用玻璃量杯與使用塑料量杯量取氫氟酸測定的鉀鈉含量情況對比

3.4 各類器皿及濾紙的清洗與使用細節

日常生活中、實驗室內、試驗員身上的鉀鈉隨處可見，極易被帶入器皿，鉑皿、瓷坩堝、和玻璃容量瓶，因此在試驗前應該用1+5 的鹽酸加熱浸洗或者沖洗，之后還要用大量蒸餾水沖刷干凈，最后用風干機風干器皿。鉑皿和瓷坩堝可以不經風干機，直接在電爐上烘烤干后再盛量試樣。值得注意的是，容量瓶定容后應立刻測試，否則長時間的浸泡會導致玻璃瓶的少量鈉浸入溶液，造成鈉結果偏高，實踐中曾經內部比對研究分析發現，如果定容后的試樣溶液等到第二天再用火焰光度計去測定鉀鈉，會造成鈉的含量超出量程或者結果值嚴重偏大，跟上述使用玻璃量杯加入氫氟酸有一樣的后果。

試驗過程中使用的手套、塑料漏斗濾紙應在過濾溶液之前用蒸餾水沖洗1～2 遍，特別注意的是濾紙在沖洗過程中應該輕柔，不得造成濾紙破損。

3.5 試驗過程應控制的關鍵點

3.5.1 空白試驗

化學分析都要做空白平行試驗，方便計算結果中將空白試驗帶入的干擾含量去除，火焰光度法分析水泥中的堿含量試驗當然也不例外，空白試驗使用的化學藥品和水應該盡量純凈，水必須試驗蒸餾水，化學藥品肯定要分析純級別及以上，配置所有相關溶液必須嚴格遵循規范GB/T 601 規定的“兩人四次八平行”進行［2］。

3.5.2 加熱過程控制

用氫氟酸和硫酸蒸發去硅時，加熱溫度要低一點，溫度太高的話，硫酸與鈣發生劇烈反應導致試樣濺灑，測定結果就會偏低，加熱時還應輕輕搖動鉑皿幾次便于反應趨于均勻。接近蒸干時，要將皿內粘稠狀物認真搖勻讓其均勻地粘附在皿內壁上，氫氟酸驅凈后，開始冒白煙就可以把溫度升高，至白煙驅凈出現黃色固體，最后必須保證絕對蒸干狀態，因為如果不徹底蒸干的話，殘留的氫氟酸將在后續試驗過程中腐蝕燒杯和容量瓶，將這些玻璃器皿中的Na 直接帶入試樣溶液中，會導致Na的含量嚴重超標。

加入氨水和碳酸銨加熱的過程同樣也要低溫，氨水負責將Fe2(SO4)3和Al2(SO4)3分解，生成氫氧化鐵和氫氧化鋁沉淀分離出去，而碳酸銨負責將MgSO4和CaSO4分解，生成MgCO3和CaCO3沉淀去除掉，在這些反應過程中低溫才能讓反應更充分，沉淀生成得更完全，從而充分消除濾液中的干擾金屬陽離子，方便最后的火焰觀察。這個反應過程一旦過熱就會把生成的CaCO3重新分解掉，將Ca 離子帶入濾液，干擾最后的火焰觀察，加熱中途也應該搖動兩到三次，讓C03

2-和NH4+充分分離，最后的溶液應該有一定的容積，不能全部蒸干，根據實踐經驗發現，充分反應后最終溶液的體積一般控制在10mL～15mL 同時無氨水氣味為宜。

在安全細節方面應特別注意：一定要讓這一步反應充分完成，不能殘有CO2氣體或者氨氣，否則過濾后的溶液裝入容量瓶定容時，氣體會把瓶蓋頂出，導致溶液飛濺或者容量瓶炸裂引發安全事故。

3.5.3 火焰光度計火焰及預熱控制

火焰光度計的火焰控制至關重要，最初在調節吸收蒸餾水霧化的時候火焰應該是上部三分之二為藍色的，中心火焰可以略黃，藍色部分的高度為3～5cm 最適宜。

預熱時間至少要10 分鐘以上，越久越穩定，實踐中發現，使用蒸餾水霧化進腔讓火焰持續穩穩地燃燒半個小時以上所測得的試驗結果重復性最高。

3.5.4 分析方法的簡化

水泥行業專用火焰光度計的定量分析有工作曲線法和比較法兩種方式，施工過程分批次進場的水泥一般為單個樣品分析，使用工作曲線法操作繁瑣，效率低下，影響了測定結果上報的時效性，因此對于單個樣品分析應選用比較法進行分析，以便為施工質量控制及時準確地反饋堿含量結果。對于這個簡化的方法社會上有很多學者研究，他們做了大量的試驗比對和數據統計分析，結果發現工程上通過火焰光度法分析水泥堿含量的時候選用比較法是非常合理、準確和實用的，比較分析法可以非常簡單、準確、迅速地測定出工程上的單批水泥試樣中的堿含量，及時有效地為施工提供水泥堿含量反饋信息。

4 結語

火焰光度法檢測水泥堿含量試驗方法雖然簡單，但在實踐過程中我們應認真控制眾多試驗關鍵點，確保為施工過程監測水泥的堿含量結果提供更準確更高效的反饋。