水泥堿含量(火焰光度計法)檢測的影響因素分析

摘要：從人、機、料、環、法、測6個方面分析影響水泥堿含量（火焰光度計法）檢測準確性的影響因素，并提出提高檢測分析質量的應對措施。

關鍵詞：堿含量； 影響因素； 措施

中國分類號：TU502+.5A

［定稿日期］2022-05-12

［作者簡介］張永根（1970—），男，本科，高級工程師，主要從事工程試驗檢測工作。

0 引言

水泥是構成混凝土的重要原材料，作為混凝土中的膠凝材料，在混凝土中占有重要的地位，水泥質量的好壞以及水泥中有害物質含量的多少將會直接影響混凝土結構物實體的耐久性能。水泥中的堿是水泥中有害成分之一，水泥中堿含量與混凝土中堿含量值成正比例關系。由于混凝土中的堿（K20，Na20）在一定條件下會與混凝土組成物中砂和石中的某些活性礦物發生化學反應，會導致混凝土結構物產生膨脹、開裂甚至破壞［1］等現象，這樣勢必會給各類混凝土工程實體帶來極大的安全隱患。因此，我國現行的各行業工程施工標準及驗收規范都對混凝土中的總堿含量有明確的規定和限制，也明確了水泥堿含量的控制指標限值，這就要求我們在使用水泥原材料之前，必須準確檢測出水泥中的堿含量，從而來準確計算出混凝土中的總堿含量值，然后再針對性采取相應的防范措施，以防止出現工程質量隱患。

現階段，水泥中堿含量測定的基準方法是采用火焰光度法，采用此種方法的基本操作流程是首先將檢測樣品經氫氟酸-硫酸蒸發處理去硅，接下來用熱水浸取殘渣，然后用氨水和碳酸氨分離其中的鐵、鋁、鈣、鎂，最后用火焰光度計法測定濾液中的鉀、鈉［2］。

樣品處理過程中，加HF的目的使SiO 2生成SiF4氣體，加H2SO4的目的是使樣品中的陽離子生成可溶性的鹽類。另外需要注意的是加H2SO4的量必須要足夠，如果不足，則HF與Ca 2+ 生成氟化物，生成的氟化物會將之前生成的Na 3 AlF 6 或 NaF緊緊包裹，從而使鈉的測定結果偏低，進而使堿含量測定值偏低。

從人、機、料、環、法、測6個方面對火焰光度法測定水泥中堿含量的影響因素進行分析，并提出相應的應對措施。

1 化學分析人員（人）

人是工作質量的決定性因素，對從事水泥化學分析的人員需要具備相關的化學知識，符合崗位技能要求，經過相關培訓考核，具有較強的質量意識，要細心、有耐心、不能粗心大意，要遵守操作規程，技術水平高、操作技能熟練。否則一方面可能使檢測結果可靠性、準確性降低，另一方面因為要接觸到有毒有害的化學試劑，也可能導致燙傷、中毒等嚴重的后果。

由熟練操作人員和非熟練操作人員在相同條件下，對同一檢測樣品的堿含量值進行多次重復檢測的結果如表1所示。

由圖1可以看出熟練操作人員測試結果波動性小，誤差均在重復性限以內，非熟練操作人員檢測結果波動大，基本上誤差都超出重復性限。

2 設備維護與保養（機）

在檢測過程中使用的儀器設備包括量具、電子秤等需要經過計量檢定或校準，確保量值溯源的可追溯性，才能保證檢測結果的準確性。

水泥堿含量測定所需的儀器設備主要就是火焰光度計，其狀態的穩定性、可靠性對最終的檢測結果起著決定性的作用，影響檢測結果的準確性、可靠性。因此試驗室需要制定完整的設備管理制度，從設備的購置、使用、維護、保養、檢校等方面做出明確規定，并嚴格執行，確保儀器設備始終處于穩定可靠的狀態。

火焰光度計的選擇也至關重要，從影響檢測數據準確性的因素來考慮，需要注意幾方面。

2.1 注意火焰穩定性

火焰溫度與測試靈敏度有關，溫度過低靈敏度下降，溫度太高則堿金屬電離嚴重，影響測量的線性關系。要確保清潔燃氣的純度，才能保證使火焰穩定。當因燃氣量不足而影響火焰的穩定性時，可以對燃氣進行壓力的檢測，不滿足要求時應及時更換燃氣。

2.2 重視儀器測量范圍的選擇

儀器的測量范圍寬，可以減少樣品的稀釋倍數，最大限度地降低因為稀釋帶來的人為誤差，以及避免因多次稀釋而引入的誤差對樣品檢測數據的放大效應。

2.3 注意霧化器霧化效果

霧化器主要作用是將待測溶液霧化。霧化后的待測溶液，霧滴越微小、均勻，代表其霧化效率越高，噴霧越穩定，相應靈敏度越高，精密度越好，化學干擾越小。

霧化器長期使用會被阻塞、玷污噴嘴造成無法進樣或進樣不完全，此時可拆下清洗重新安裝，這樣就可以保證霧化器的干凈暢通，也可采取50%的酒精溶液經吸樣管進入霧化器進行燃燒清洗，再用蒸餾水模擬進樣至少５ min沖洗以除去雜物，達到清洗作用。

2.4 濾光片質量

濾光片質量好，可以減少共存物質的干擾。此外濾光片要固定于儀器內部，盡量減少頻繁的更換濾光片帶來的濾光片磨損。

2.5 可靠的性能保障

在檢測的過程中，數據不斷的波動往往會帶來對測量數據可靠性的懷疑和困擾，因此要求儀器的穩定性要保證每30 min的漂移量越小越好。

3 材料的選用（料）

由于在自然界中鉀、鈉離子普遍存在，在試驗檢測過程中極其容易帶入鉀、鈉離子，致使待檢測樣品中的鉀、鈉含量測定值偏高，為了消除這種影響，必須進行相應的空白試驗，同時在計算分析鉀、鈉含量時必須定量扣除影響因素中鉀、鈉的含量，從而提高檢測樣品測定值的準確性。

標準溶液配制時所用氯化鉀、氯化鈉必須是未受潮的基準試劑或光譜純，不能使用分析純。如果采用了分析純或吸濕受潮了的基準試劑，會導致氧化鉀、氧化鈉實際配制的標準溶液濃度與規范要求標準溶液的濃度有誤差，直接影響火焰光度計檢流計讀數，最終結果是導致氧化鉀、氧化鈉檢測結果不準確、有誤差。

質量好的氫氟酸可以完全分解試樣，質量差的則不能完全分解試樣，最終也會導致檢測結果偏低。

試驗中所用的水應不低于GB/T 6682-2008《分析實驗室用水規格和試驗方法》中規定的三級水的要求。K20，Na20標準溶液的配置須使用三級水［3］。不能使用未經檢驗的純凈水或蒸餾水，因為不同的純凈水或蒸餾水作溶劑，會產生不同的背景值。必須采用同一容器中的純凈水或蒸餾水。

圖2為用三級水和一般檢測用水的檢測結果。從圖2中可以看出三級水測出的檢測結果離散性較小，穩定性好。用一般檢測用水測出的結果離散性大、穩定性差。

建筑設備與建筑材料張永根： 水泥堿含量（火焰光度計法）檢測的影響因素分析

因堿金屬溶液會腐蝕玻璃，從而引入被測離子，導致測定結果偏高。故氧化鈉、氧化鉀標準溶液不能用玻璃瓶儲存，試驗室通常采用聚乙烯塑料瓶。同時標準溶液配制過程中要注意試驗器具的清潔性，避免污染標準溶液。

為保證檢測結果的可靠性，應作到標準溶液現用現配，并且每次使用時都要經過充分搖勻。對于已發生變質或生霉或濃度發生變化的標準溶液則要停止使用。

圖3為分別用玻璃瓶和塑料瓶保存標準溶液時，不同樣品的檢測結果值。從圖3中可知看出，用玻璃瓶保存標準溶液時，測出的結果值普通偏高。

處理待測試樣時，氫氟酸應使用塑料量筒量取，切不可用玻璃量筒。因為氫氟酸會腐蝕玻璃，而玻璃材質中含有鉀、鈉離子，這樣會導致玻璃中的鉀、鈉離子進入到待測定試樣中，從而影響測定結果準確性。同理其他量具、容量瓶及攪拌棒等也都應該選用塑料的。

4 環境條件的控制（環）

為了保證檢測結果的準確性，試驗室需制定環境管控方面的管理制度。盡可能地控制環境因素如溫度、濕度、光線等對試驗過程的影響。

圖4、圖5為常溫條件下，不同的溫濕度時，對同一樣品的檢測結果分布。

對同一樣品，不同的溫濕度條件，檢測結果均在再現性限范圍之內，可以認為在常溫下，一定范圍內的溫濕度變化對檢測結果的影響在可控范圍之內，可以不考慮溫濕度變化的影響。

5 檢測方法的控制（法）

依據檢測規程制定詳細的作業指導書，指導檢測人員開展檢測工作。對檢測方法、檢測環境、過程參數、操作手法等提出具體的技術要求。

對每個檢測過程中質量控制環節規定檢查方法、檢查關鍵要點以及可接收原則，并規定相關處理辦法。

為保證堿含量的測定值的穩定性，標準溶液與試驗溶液應同時進行測定，保證標準溶液與試驗溶液檢測條件一致性，從而減少測定誤差。另外試樣制備成溶液后，應及時進行測定。

6 測量方法控制（測）

6.1 樣品的前置處理

樣品的前置處理至關重要，主要是分離樣品溶液中的干擾元素。因為水泥中含有的SiO2和CaO等元素會嚴重影響堿含量的測定，前置處理的目的就是為了要除去試樣溶液中的這些元素。

（1）首先樣品取樣稱量的多少會直接影響到試驗結果的準確性。如果取樣稱量過多，則后序工作要增加溶液稀釋工作環節，無形中會增大測試誤差。一般而言對于堿（堿土）金屬類的試樣要減少其稱樣量，稱取量約0.2 g，則可以減小稀釋環節，從而減少誤差。

（2）在把5～7ml 氫氟酸和（15～20滴）硫酸（1+1）加入鉑皿中時，應在通風廚內的電熱板上按規定進行低溫加熱，使硅以SiF4 的形式除去，其反應：SiO2 +4HF→SiF4↑ +2H2O。在樣品分解的過程中，保持適合的溫度，防止樣品的迸濺流失造成檢測結果偏低。一般用電熱板溫度控制在100 ℃以下。同時為了使試樣能夠完全分解，在加熱期間，還要搖動幾次鉑皿，搖動時也須防止試樣的迸濺。

加熱應使用電熱板，與電阻爐相比，電熱板具有非明火加熱、控溫好、穩定性高、安全性高等特點。

（3）用氫氟酸溶樣應盡量除盡氟離子， 一定要加熱至SO3白煙冒盡，否則會使樣品測試結果值偏高，然后取下冷卻。

（4）在處理試樣溶液中，所用器具要用蒸餾水沖洗，以免帶入空白。分解試樣一般是在鉑皿中（或聚四氟乙烯器皿中）加入氫氟酸-硫酸于電熱板進行低溫加熱（不高于100 ℃度），使硅以 SiF4 的形式除去。

相同條件下用鉑皿中（或聚四氟乙烯器皿中）檢測結果比較見表2。檢測結果基本一致。檢測結果在樣品檢測的重復性限和再同現性限內。

（5）在用氨水和碳酸銨分離鐵、鋁、鈣、鎂時，要求配制的碳酸銨溶液應現配現用，防止因為配制時間過長，出現碳酸銨分解，影響鈣、鎂等沉淀分離的情況，致使測試結果偏高。加熱的目的是為了讓多余的碳酸銨分解，加入碳酸胺溶液后，加熱至沸騰，并保持微沸 20～30 min。如果碳酸銨分解不完全，鹽酸酸化后溶液中產生的CO2會影響試樣的穩定性。加熱期間也應搖動鉑皿，使多余的碳酸銨分解完全。

6.2 火焰光度計的調試

6.2.1 火焰光度計預熱時間的確定

預熱時間與儀器激發狀況密切相關，考慮到儀器激發狀況直接關乎水泥中堿含量的測量精度與準確度，必須使其在最佳狀態下展開檢測。經過試驗確定，要求先開機充分預熱儀器20 min 左右，這時火焰較穩定，激發能量恒定，因而讀數就穩定可靠。預熱期間要采用蒸餾水連續進樣，這樣可以模擬實際進樣的條件。如果儀器預熱時間不夠，則會影響讀數的重現性。

圖7為相同條件下，不同預熱時間下堿含量的檢測值，預熱20 min的數據波動性較為穩定，均在重復性限差范圍之內。

6.2.2 火焰的調節方法

在火焰光度計開機調試的過程中，燃氣流量調節應兼顧靈敏度、穩定性及線性響應對火焰的要求，如燃氣流量過大或過小均不利于保證測試結果的準確性。燃氣調節閥應選擇由小到大緩慢調節，直至火點著。調節時要注意觀察火焰形狀，當火焰外形呈現為高 3～6 cm 的穩定的淡蘭色錐形火焰，且火焰尖端擺動幅度較小、火焰底部稍帶彎曲的焰形即為最佳穩定狀態。引燃并調節好火焰后，預熱20 min左右，然后使用同一樣標液重復測試直到讀數基本一致，說明火焰穩定，之后可進行待測試樣測試。

6.2.3 吸液量的大小的調節

吸液量的大小對樣品檢測試驗結果也產生較大影響。因此，在測試前要檢查吸樣量是否符合要求，一般要求吸樣量應為每1 min 2～3 ml，可以用吸樣管吸取置于量杯內的蒸餾水來進行檢查。根據檢查結果來重新調整吸樣管高度與空氣噴口之間的距離，直至滿足要求為止。

在相同條件下，以標準樣品做為測試樣，以不同的吸液量來進行測試的結果如表3所示。

從圖8可以看出吸液量每1 min 2～3 ml時，測試值數據波動較小，誤差均在重復性限之內。

另外需要注意的是火焰光度計檢測器需要避光，不避光會影響儀器的穩定性。

6.3 樣品測定

檢測過程需要先開啟電源，啟動空氣壓縮機，當壓力表上升到 0.04～0.05 MPa 之間，達到平衡狀態后將吸樣管插入蒸餾水中，使溶液隨吸樣管進入霧化室霧化。然后，打開液化石油氣開關，過30～40 s 點火，并通過旋轉燃氣開關來調整火焰呈錐形純藍色火焰，預熱20 min火焰呈穩定狀態后則開始進樣。先吸取空白溶液，待電壓值穩定后調零，可顯示鉀鈉的值為零，調零結束；重復2次到3次后，儀器示值波動不超過2個數字則可進入測量狀態。將被測溶液吸入后讀數穩定后5 s 讀數，即可測出被測溶液堿鈉含量，通過堿含量的計算公式即可得到結果。

7 結論

百年大計，質量第一。由于水泥中的堿含量對水泥質量和混凝土實體結構安全有重要影響，影響到混凝土的耐久性能，因此在工程施工中需要對水泥中的堿含量指標進行有效控制，而水泥堿含量檢測有眾多的影響因素，需要充分思考，認真分析，從人、機、料、環、法、測中找出其主要影響因素，但也不忽略其他次要影響因素，采取相應的有效應對措施，才能保證檢測結果的可靠性、準確性，為建設優質工程打下堅實的物質基礎。

參考文獻

［1］ 中鐵三局集團有限公司. 鐵路混凝土工程施工質量驗收標準： TB 10424-2018 ［S］.北京：中國鐵道出版社，2019.

［2］ 中國建材檢驗認證集團股份有限公司. 水泥化學分析方法： GB/T 176-2017 ［S］.北京：中國標準出版社，2017.

［3］ 國藥集團化學試劑有限公司. 分析實驗室用水規格和試驗方法： GB/T 6682-2008 ［S］.北京：中國標準出版社，2008.