火焰光度法檢測水泥堿含量試驗研究

陳精健

(上海同豐工程咨詢有限公司,上海 201900)

水泥的堿含量主要是指氧化鉀和氧化鈉的含量。水泥堿含量過高會與混凝土集料中的堿活性礦物質發生緩慢的化學反應稱為混凝土堿集料反應[1]。混凝土構件如果發生堿集料反應就會造成內部局部膨脹并開裂,一旦出現裂縫又會使混凝土構件受到雨水、空氣等環境因素的影響加劇,使混凝土加速碳化以及產生更嚴重的鋼筋銹蝕銹蝕,而鋼筋銹蝕不僅降低鋼筋本身的強度,而且鋼筋銹蝕物膨脹會造成混凝土結構裂縫進一步擴大,最終導致混凝土結構的整體破壞[2-3]。如果在北方的寒冷地區,混凝土出現裂縫后會因為天氣因素形成的凍融會加快裂縫的增長,這樣就造成了混凝土工程的整體綜合性破壞。水泥泥堿含量過高還會導致其凝結時間不穩定。因此通過檢測來控制水泥的堿含量對保證混凝土結構的耐久性有重要的意義[4-5]。目前工程檢測方面,很多檢測機構規模比較小,特別是化學參數檢測專業能力比較薄弱,有的從業人員非化學專業畢業或者沒有經過化學方面的嚴格培訓。因此非常有必要對火焰光度法檢測水泥堿含量過程的安全防護和檢測誤差進行詳細的分析與探討。

1 試驗儀器

電子天平:型號GL224I-1SCN,感量0.1 mg,準確度Ⅰ級,生產廠家賽多利斯科學儀器。

火焰光度計:型號FP640,可以穩定檢測鈉在波長589 nm處和鉀在波長769 nm處的光譜強度,準確度符合JJG630-2007《火焰光度計檢定規程》技術要求,生產廠家上海忻一精密儀器。

鉑皿或聚四氟乙烯器皿:這兩種器皿經過不斷地試驗實踐與比較,推薦使用聚四氟乙烯器皿,鉑皿價格昂貴體積比較小(GB/T 176-2017《水泥化學分析方法》的要求是100～150 mL,JTG 3420-2020《公路工程水泥及水泥混凝土試驗規程》的要求是50～100 mL而且使用過程容易變形,不容易清洗,維護保養需要非常精細。而采用500 mL四氟乙烯器皿價格便宜,方便操作與清洗。其更大的體積非常有利于防范試驗過程中滴加氫氟酸和硫酸時劇烈的化學反應可能產生的飛濺。飛濺不僅會造成樣品損失直接影響試驗結果的可靠性,而且氫氟酸和硫酸屬于危險學化學品飛濺時可能會對人體造成嚴重傷害,存在嚴重的安全隱患。

2 驗試劑

氫氟酸:質量分數為40%,體積密度為1.15～1.18 g/cm3,屬于危險化學品。氫氟酸是一種弱酸,是一種有強烈腐蝕性的發煙液體,有強烈的刺激性氣味。氫氟酸會腐蝕除了鉑、金、鉛、塑料、石蠟以外如玻璃、陶瓷、金屬等,所以實驗室最常用的玻璃器具、瓷器具不能用于氫氟酸。氫氟酸的量取應該使用塑料吸管或塑料量筒。使用氫氟酸對樣品進行處理時,只能在鉑皿或聚四氟乙烯器皿中進行,否則可能因為在加熱過程中容器被腐蝕引起安全事故。氫氟酸接觸人體或吸入煙霧蒸汽會造成嚴重的傷害,接觸皮膚會嚴重灼傷,甚至可能到達骨骼,與骨骼中鈣生產氟化鈣俗稱氟骨病。吸入煙霧蒸汽會造成嚴重的呼吸道損傷,引起化性肺炎肺水腫。所以氫氟酸的使用必須在正常運行的通風櫥中進行,必需佩戴長款塑料手套和橡膠手套進行雙層防護,除了做好嚴格的手部防護以外,試驗過程中通風櫥防護擋板必需放下防止氫氟酸飛濺到身體其它部位。

硫酸(1+1):配制時取100 mL的濃硫酸緩慢的加入到100 mL的去離子水中,邊攪拌邊緩慢加入,速度過快可能會造成溶液來不及散熱沸騰飛濺,造成強酸灼傷。嚴禁往濃硫酸中加去離子水,濃硫酸密度大,往濃硫酸里加去離子水時,去離子水會覆蓋在濃硫酸上層,濃硫酸與去離子水的接觸界面產生大量的熱量來不及擴散引起暴沸飛濺。

甲基紅指示劑:稱取0.2 g甲基紅溶于100 mL去離子水中,放入指示劑滴瓶中。

氨水(1+1):100 mL的氨水(質量分數28～29%)加入100 mL去離子水,儲存于塑料試劑瓶中。

碳酸銨溶液:稱取10 g碳酸銨溶解于100 mL去離子水中,碳酸銨溶液不穩定容易分解,不宜存放,要在使用時現配。

鹽酸(1+1):100 mL的去離子中加入100 mL鹽酸(質量分數36～38%),儲存于玻璃試劑瓶中。

3 試驗原理

試樣中加入氫氟酸和硫酸低溫加熱蒸發除硅,以熱去離子水浸泡殘渣,加入氨水和碳酸銨去除鎂、鋁、鈣、鐵干擾離子。過濾后濾液放入容量瓶中定容,以火焰光度計檢測氧化鈉和氧化鉀含量。

4 準工作曲線的繪制

4.1 標準溶液的配制

恒溫干燥箱溫度設定為105 ℃。用兩個玻璃潔凈的稱量瓶分別取氯化鉀(KCl,基準純)和氯化鈉(NaCl,基準純)2 g置于恒溫干燥箱中干燥2 h。干燥后從恒溫干燥箱中取出立即放入干燥器中,溫度降至室溫。用萬分之一電子天平精確稱取1.582 9 g氯化鉀和1.885 9 g氯化鈉,置于300 mL的潔凈燒杯中,用去離子水溶解后,移入洗滌干凈并用去離子水沖洗三次的1 000 mL容量瓶中,去離子水加到距離容量瓶刻度線下方2 cm左右,塞上瓶塞上下左右晃動容量瓶,使溶液混合均勻后靜置5 min,繼續用潔凈滴管緩慢添加去離子水至溶液下凹液面與容量瓶刻度線及視線水平相切。將溶液轉移到塑料試劑瓶中,此標準溶液每毫升含有1 mg的氧化鈉與1 mg的氧化鉀。

4.2 標準溶液的稀釋濃度與方法

精確的稀釋標準工作曲線所需要的各個質量濃度是繪制標準工作曲線成功的關鍵。如果稀釋的質量濃度不夠精準,會直接影響標準工作曲線的線性誤差,最終影響檢測結果的可靠性。因此標準溶液的移取應使用檢定合格的A級單標線玻璃吸管,具體方法如表1。

表1 標準溶液的稀釋

4.3 標準溶液檢測步驟

打開空氣壓縮機電源,檢查火焰光度計的壓力表指針是否是在0.15 MPa,把進樣毛細管插入到裝有去離子水的燒杯中。取下煙囪罩觀察燃燒頭是否有水霧飄出,有水霧飄出說明可以正常進樣。打開液化氣進氣閥,旋轉點火按鈕點火,調節火焰高度,火焰的高度控制在5 cm左右。火焰光度計必需在進樣毛細管沒入去離子水中的狀態下預熱30 min,在預熱的過程中必需保證去離子水充足,不能使進樣毛細管脫離水面造成火焰光度計燃燒頭干燒。如果預熱時間太短儀器不穩定,試驗數據不可靠。取6個250 mL潔凈燒杯貼好質量濃度標簽,倒入相應質量濃度的溶液200 mL。用去離子水(0 mg/100 m)調零,用最大濃度溶液(4.00 mg/100 mL)調滿度100,調零與滿度100之間來回切換反復調整直到火焰光度計示值穩定。然后分別測定其它質量濃度的溶液,每測一個溶液用后用去離子水進樣使火焰光度計檢流計讀數回零時再測下一個溶液,記錄試驗數據。氧化鉀的檢測結果如表2,氧化鈉的檢測結果如表3。

表2 氧化鉀的檢測結果及分析

表3 氧化鈉的檢測結果及分析

4.4 準工作曲線的繪制結果

根據上述的檢測結果得到氧化鉀的線性方程y=0.040 2x-0.093 3(R2=0.998 2),氧化鈉的線性方程y=0.040 2x-0.195 3(R2=0.991 4)。

由于現行的水泥檢測標準規范沒有對標準工作曲線的線性誤差做出具體要求,為了保證檢測結果的可靠性,除了零點與滿度點100以外的其它濃度點的線性誤差應符合JJG630-2007《火焰光度計計量規程》規定的:K≤0.005 mmol/L、Na≤0.03 mmol/L技術要求的。

5 樣品檢測

由于火焰光度計有檢出下限和檢出上限,為了研究被測樣品處理成被測溶液后氧化鈉和氧化鉀的含量對檢測結果的影響,設計兩種控制被測溶液氧化鈉和氧化鉀含量的方法。樣品采用中國建材檢驗認證集團股份有限公司提供的已知氧化鈉和氧化鉀含量的水泥標準樣品。

5.1 不同質量的水泥樣品的檢測結果與標準值的偏差

取樣三種不同質量的水泥標準樣品,處理后得到相同體積(100 mL)的氧化鈉和氧化鉀不同的三種被測溶液,其檢測數據及分析如表4。

表4 不同質量的水泥樣品的檢測結果與標準值的偏差

5.2 相同質量水泥樣品稀釋成不同的濃度的檢測結果與標準值的偏差

取同樣質量的水泥標準樣品0.730 8 g,按照不同的稀釋倍數,稀釋成不同體積的溶液,得到氧化鈉和氧化鉀含量不同的4種溶液,按照上述同樣的方法進行檢測,其檢測數據及與分析如表5。

表5 相同質量水泥樣品稀釋成不同的濃度的檢測結果與標準值的偏差

5.3 樣品檢測結果分析

以上的試驗結果表明火焰光度計檢流計讀數超出20～80范圍的檢測結果偏差增大。火焰光度計有檢出限。取樣質量過小或稀釋倍數過大,被測溶液的氧化鉀、氧化鈉含量太低,檢測結果的偏差增大,試驗結果不可靠。取樣質量過大或稀釋倍數過小,被測溶液的氧化鉀、氧化鈉含量太高,檢測結果的偏差增大,檢測結果不可靠。所以采用火焰光度計檢測未知氧化鈉、氧化鉀含量的樣品,要取不同質量的試樣處理成相同體積(100 mL)的被測溶液或取相同的試樣質量處理后稀釋成不同體積的溶液來控制被測被測溶液的氧化鈉和氧化鉀含量。檢測結果根據火焰光度計的檢流計讀數,去掉超出20～80范圍的檢測數據,符合要的檢測結果取平均值。同一個樣品的氧化鈉與氧化鉀的含量相差過大時,不適合氧化鉀、氧化鈉同時檢測,應該根據其檢測結果重新取樣,分別檢測。

6 結 論

500 mL聚四氟乙烯器皿,具有價格低,能夠有效防止由于劇烈的化學反應可能產生的飛濺,使用試驗操作更方便安全。氫氟酸會對人體造成嚴重的傷害,使用時試驗人員必需做好安全防護措施在狀態良好的通風櫥中進行。采用JJG630-2007《火焰光度計計量規程》規定的線性誤差:K≤0.005 mmol/L、Na≤0.03 mmol/L來判定標準工作曲線是否符合要求。如果標準工作曲線的線性誤差不符合要求,試驗檢測結果不可靠,應該查明原因,對設備進行維護保養后重新試驗。被測溶液氧化鈉和氧化鉀含量太大或太小都會使試驗結果誤差增大。通過控制被測樣品的取樣量或樣品處理后的溶液稀釋體積來控制被測溶液氧化鈉和氧化鉀的含量,可以提高檢測結果的可靠性。