光譜分析法在建筑用鋼質(zhì)量控制中的研究與應(yīng)用

徐創(chuàng)霞

(四川省建筑科學(xué)研究院，四川成都610081)

近年來(lái)隨著房地產(chǎn)行業(yè)大力發(fā)展和國(guó)家對(duì)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的加大投入，使得我國(guó)的建筑技術(shù)不斷向更深方向邁進(jìn)，高層建筑和鋼結(jié)構(gòu)建筑不斷增多，這些變化使得我國(guó)每年生產(chǎn)的鋼材有相當(dāng)?shù)谋壤糜诮ㄖI(yè)。高強(qiáng)度和高性能的特種鋼材被大量的用到工程建設(shè)的關(guān)鍵部位，同時(shí)大量的工程建設(shè)對(duì)建筑用鋼材，尤其是特種鋼材提出了更為嚴(yán)格的要求。建筑用鋼材的質(zhì)量對(duì)工程質(zhì)量起到了至關(guān)重要的作用，嚴(yán)格控制建筑用鋼材的質(zhì)量從很大程度上能起到控制工程質(zhì)量的作用。建筑用鋼的性能檢測(cè)包括物理性能和化學(xué)成分檢測(cè)，傳統(tǒng)意義上的物理性能檢測(cè)已不能滿(mǎn)足建筑用鋼材的質(zhì)量控制，尤其一些高強(qiáng)度高性能的特種用鋼和比較復(fù)雜的鋼結(jié)構(gòu)工程，還必須同時(shí)從化學(xué)性能來(lái)控制其質(zhì)量。光譜分析法對(duì)一些已經(jīng)安裝好的鋼結(jié)構(gòu)工程和施工中出現(xiàn)質(zhì)量問(wèn)題的鋼結(jié)構(gòu)及所用鋼材用化學(xué)成分檢測(cè)來(lái)分析解決工程質(zhì)量問(wèn)題甚至更為方便和快捷，同時(shí)鋼材的化學(xué)成分檢測(cè)還可以解決施工存在的鋼筋替換問(wèn)題。

1 光譜分析的原理

光譜分析法是利用物質(zhì)在熱激發(fā)或電激發(fā)下，每種元素的原子或離子發(fā)射特征光譜來(lái)判斷物質(zhì)的組成，而進(jìn)行元素的定性與定量分析的方法。由于每種元素都有自己的特征譜線(xiàn)，因此可以根據(jù)光譜來(lái)鑒別物質(zhì)和確定它們的化學(xué)組成，這種方法叫光譜分析。某種元素在物質(zhì)中含量達(dá)到一定程度，就可以從光譜中發(fā)現(xiàn)它的特征譜線(xiàn)，而且能夠把它檢查出來(lái)。

光譜分析所利用的是原子或離子所發(fā)射的線(xiàn)狀光譜。各元素原子或離子均有他自己的一系列波長(zhǎng)的譜線(xiàn)所組成的特征光譜。從光譜中辨認(rèn)并確定出各元素的特征譜線(xiàn)中的一些靈敏線(xiàn)，這便是定性分析的基礎(chǔ)。各元素特征譜線(xiàn)的強(qiáng)度是樣品中該元素的含量的函數(shù)。依據(jù)譜線(xiàn)的強(qiáng)度確定含量，這便是定量分析的基礎(chǔ)。

在建筑用鋼的測(cè)試分析中主要采用原子發(fā)射光譜分析法，該分析法所采用的原理是用電弧(或火化)的高溫使樣品中各元素從固態(tài)直接氣化并被激發(fā)而發(fā)射出各元素的特征波長(zhǎng)，用光柵分光后，成為按波長(zhǎng)排列的“光譜”，這些元素的特征光譜線(xiàn)通過(guò)出射狹縫，攝入各自的光電倍曾管，光信號(hào)變成電信號(hào)，經(jīng)儀器的控制測(cè)量系統(tǒng)將電信號(hào)積分并進(jìn)行模/數(shù)轉(zhuǎn)換，然后由計(jì)算機(jī)處理，并打印出各元素的百分含量。

2 光譜分析法的應(yīng)用范圍

建筑用鋼材通常含有碳(C)、硫(S)、硅(Si)、錳(Mn)、鱗(P)、鉻(Cr)、鎳(Ni)、鈷(Co)、銅(Cu)、鉬(Mo)、鈦(Ti)、鈮(Nb)、鎢(W)、碲(Te)、釩(V)、硒(Se)等多種元素。其中影響鋼材性能的主要有 C、S、Si、Mn、P、Cr、Ni等元素。建筑用普通鋼材如鋼筋、角鋼、工字鋼、扁鋼等主要為碳素鋼和中低合金鋼，影響其性能的化學(xué)元素主要為C、S、Si、Mn、P五種元素，而影響不銹鋼性能的化學(xué)元素還包括Cr、Ni等主要元素。

據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，目前建筑用鋼材中碳素鋼、中低合金鋼的化學(xué)元素 C、S、Si、Mn、P 的含量范圍，如表1 所示。

表1 建筑用中碳素鋼、中低合金鋼化學(xué)元素含量范圍

用光譜分析法可測(cè)定碳素鋼和中低合金鋼中碳、硅、錳、磷、硫、鉻、鎳、鎢、鉬、釩、鋁、鈦、銅、鈮、鈷、硼、鋯、砷、錫等元素。各元素的測(cè)量范圍如表2所示。

表2 光譜法測(cè)定碳素鋼、中低合金鋼化學(xué)元素范圍

續(xù)表2

通過(guò)表1和表2的比較，可以看出光譜分析法元素測(cè)量范圍能夠完全滿(mǎn)足建筑用碳素鋼、中低合金鋼等鋼材中元素含量范圍，光譜分析法可以用于建筑用碳素鋼、中低合金鋼等鋼材的化學(xué)成分測(cè)定。

據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，目前建筑用不銹鋼的化學(xué)元素 C、S、Si、Mn、P、Cr、Ni的含量范圍如表 3 所示。

表3 建筑用不銹鋼中化學(xué)元素含量范圍

用光譜分析法可測(cè)定不銹鋼中碳、硅、錳、磷、硫、鉻、鎳、鎢、鉬、釩、鋁、鈦、銅、鈮、鈷、硼、鉛、砷、錫等元素。各元素的測(cè)量范圍如表4所示。

表4 光譜法測(cè)定不銹鋼化學(xué)元素范圍

續(xù)表4

通過(guò)表3和表4的比較，可以看出光譜分析法元素測(cè)量范圍能夠完全滿(mǎn)足建筑用不銹鋼中化學(xué)元素含量范圍，光譜分析法可以用于建筑用不銹鋼的化學(xué)成分測(cè)定。

3 光譜分析法的優(yōu)越性

將光譜分析法應(yīng)用于建筑用鋼尤其是高強(qiáng)度高性能的特種用鋼和鋼結(jié)構(gòu)工程中能很好的彌補(bǔ)化學(xué)分析方法中存在的不足之處，對(duì)工程質(zhì)量的控制起到了至關(guān)重要的作用

(1)提高分析測(cè)試速度。當(dāng)前，對(duì)于鋼材化學(xué)成分的檢測(cè)主要采用傳統(tǒng)的化學(xué)分析法。該方法采用取樣、稱(chēng)樣、熔樣、化學(xué)定容、顯色反應(yīng)、比色等過(guò)程，所需時(shí)間較長(zhǎng)，而且每種元素都有單獨(dú)的化學(xué)分析方法，如測(cè)碳采用管式爐內(nèi)燃燒后氣體容量法，測(cè)硫采用次甲基藍(lán)分光光度法，測(cè)硅采用還原型硅鉬酸鹽分光光度法，測(cè)錳采用高碘酸鈉光度法，測(cè)磷采用乙酸丁酯萃取光度法，測(cè)鉻采用碳酸鈉分離－二苯碳酰二肼光度法，測(cè)鎳采用丁二酮肟分光光度法等。對(duì)一組建筑用不銹鋼中碳、硅、錳、磷、硫、鉻、鎳的測(cè)定所需要的時(shí)間往往需要3～5 d，難以滿(mǎn)足當(dāng)今工程建設(shè)中的大量用鋼。光譜分析法可同時(shí)測(cè)定碳、硅、錳、磷、硫、鉻、鎳、鎢、鉬、釩、鋁、鈦、銅、鈮、鈷、硼、鉛、砷、錫等19種元素，而一組建筑用不銹鋼的測(cè)定從制樣到測(cè)試分析數(shù)據(jù)只需要10～20 min即可完成，大大提高了分析速度，對(duì)建筑用鋼材的質(zhì)量控制起到了很好的作用。

(2)提高了分析測(cè)試準(zhǔn)確度。傳統(tǒng)的化學(xué)分析法在化學(xué)藥品及試劑、實(shí)驗(yàn)室分析用水、實(shí)驗(yàn)室環(huán)境、稱(chēng)樣、熔樣、定容、加顯色劑、比色、儀器等各個(gè)環(huán)節(jié)中存在誤差，往往會(huì)導(dǎo)致分析結(jié)果的誤差偏大。而光譜分析法涉及的環(huán)節(jié)較少，其分析結(jié)果誤差較小。用傳統(tǒng)化學(xué)分析法和光譜分析法分別對(duì)同一個(gè)304 不銹鋼(0Cr18Ni9)標(biāo)鋼的 C、S、Si、Mn、P、Cr、Ni元素含量進(jìn)行測(cè)定，其結(jié)果如表5。

表5 標(biāo)準(zhǔn)304不銹鋼(0Cr18Ni9)中化學(xué)元素含量測(cè)定值及誤差

續(xù)表5

從表5的化學(xué)分析法與光譜分析法測(cè)定值與標(biāo)準(zhǔn)值的誤差分析可以看出，光譜法分析的數(shù)據(jù)更靠近標(biāo)準(zhǔn)值，提高了分析測(cè)試的準(zhǔn)確度。

(3)降低分析成本，減少環(huán)境污染。光譜分析法的分析測(cè)試成本主要是首次購(gòu)置光譜分析儀，后期的投入成本很小。而化學(xué)反應(yīng)在分析測(cè)試中投入成本較大，不光要購(gòu)置所需的各種儀器，還要購(gòu)置大量的化學(xué)藥品與試劑，而化學(xué)藥品試劑和所配置的試劑有一定的有效期，超過(guò)有效期限需要重新配置，增加了分析測(cè)試成本，同時(shí)化學(xué)廢液的處理會(huì)對(duì)環(huán)境有一定的污染。光譜分析在降低分析成本減少環(huán)境污染方面有一定的優(yōu)勢(shì)。

(4)其他方面。如化學(xué)分析法涉及的化學(xué)藥品與試劑較多，許多為有毒有害物質(zhì)，并且化學(xué)分析過(guò)程中涉及到高溫煮沸等會(huì)導(dǎo)致強(qiáng)酸等有害化學(xué)品的揮發(fā)和濺出，會(huì)對(duì)人體有一定的損害。光譜分析法不涉及化學(xué)藥品與試劑，從而避免對(duì)人體的損害。

4 光譜分析法在建筑工程質(zhì)量控制和事故分析中的應(yīng)用

(1)加強(qiáng)建筑用鋼材的質(zhì)量控制。在材料進(jìn)場(chǎng)入施工現(xiàn)場(chǎng)前對(duì)大量的建筑用鋼材尤其是高強(qiáng)度高性能的特種用鋼進(jìn)行分析測(cè)定其 C、S、Si、Mn、P、Cr、Ni等主要元素的含量，看是否滿(mǎn)足設(shè)計(jì)用鋼材質(zhì)的要求，從源頭控制建筑用鋼材的質(zhì)量。

(2)對(duì)不同材質(zhì)或牌號(hào)的建筑用鋼進(jìn)行區(qū)分。施工中為節(jié)省費(fèi)用，經(jīng)常出現(xiàn)鋼筋替換現(xiàn)象，一般的力學(xué)性能測(cè)試很難區(qū)分和辨別，鋼材的化學(xué)成分測(cè)試能很好的解決這一難題。因不同材質(zhì)或牌號(hào)的鋼材其元素含量要求不同，通過(guò)光譜分析可以對(duì)其進(jìn)行區(qū)別，從而可以控制工程施工中出現(xiàn)的以次充好的調(diào)包現(xiàn)象。

(3)分析解決工程質(zhì)量事故。建筑用鋼的光譜分析對(duì)解決工程質(zhì)量事故起了重要作用。在因鋼材質(zhì)量問(wèn)題引起的建筑工程質(zhì)量事故分析中，除物理性能檢測(cè)外，化學(xué)成分分析是查找事故原因的重要方法和手段，具有相當(dāng)重要的作用。如某鋼結(jié)構(gòu)工程中設(shè)計(jì)用鋼的牌號(hào)為Q235B(含碳量≤0.20%)，但在施工焊接中發(fā)現(xiàn)該鋼材焊接性能很差，通過(guò)光譜分析測(cè)試發(fā)現(xiàn)該鋼材含碳量達(dá)到0.32%，超過(guò)該牌號(hào)鋼含碳量規(guī)定值12%。據(jù)相關(guān)資料:“鋼中含碳量增加，屈服點(diǎn)和抗拉強(qiáng)度升高，但塑性和沖擊性降低，當(dāng)含碳量超過(guò)0.23%時(shí)，鋼的焊接性能變壞，因此用于焊接的低合金結(jié)構(gòu)鋼，含碳量一般不超過(guò)0.20%。”通過(guò)光譜分析可知導(dǎo)致該工程用鋼焊接性能差的原因是其含碳量超標(biāo)。

5 結(jié)論

光譜分析法可以快速高效準(zhǔn)確的對(duì)建筑用鋼的化學(xué)元素進(jìn)行定性定量測(cè)定分析，對(duì)于控制工程質(zhì)量，分析工程質(zhì)量事故起到了至關(guān)重要的作用。

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