淺析工程用格賓網(wǎng)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(xué)研究院， 江蘇 揚州 225000）

0 引言

格賓網(wǎng)又名石籠網(wǎng)，格賓網(wǎng)在中國一般被稱作生態(tài)綠格網(wǎng)，在國外，這種產(chǎn)品被制作成一種名為“gabion”的結(jié)構(gòu)箱體。格賓網(wǎng)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(shù)根綁絲組裝，捆扎方法分為兩種：一種是連續(xù)纏繞，另一種則是按一定間距綁扎，具體可根據(jù)設(shè)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(dǎo)河流及洪水：格賓網(wǎng)可使河床河岸得到永久性保護(hù)，有效防止水流沖刷河岸使其破壞，引發(fā)洪水泛濫，導(dǎo)致生命財產(chǎn)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(wǎng)可對河岸或河床起到有效的永久性保護(hù)，它還能控制水的流量，防止水流失，特別是在環(huán)境保護(hù)和水質(zhì)保持上，具有極佳的功效。

三、護(hù)岸護(hù)坡：石籠格賓網(wǎng)結(jié)構(gòu)應(yīng)用與江河湖岸和其坡腳防護(hù)方面是非常成功的案例，它充分發(fā)揮了生態(tài)格網(wǎng)的優(yōu)點，達(dá)到其他方法無法實現(xiàn)的理想效果。

其防護(hù)技術(shù)特點主要有以下幾個方面[2]：

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

二、耐久性好，使用壽命長。格賓網(wǎng)材料采用熱鍍鋅工藝使表面鍍層更加穩(wěn)定，有效減少鋼絲氧化作用，經(jīng)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(jié)構(gòu)，受震后有小幅變異，但不影響整體結(jié)構(gòu)，更不可能產(chǎn)生裂縫。

格賓網(wǎng)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(wǎng)的抗腐蝕性起到了決定性作用。眾所周知，格賓網(wǎng)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(hù)坡部位用的最為廣泛，但是在防護(hù)期間，格賓網(wǎng)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(dá)到了數(shù)萬mg/L；一般來說，對金屬腐蝕最嚴(yán)重的也就是Cl-，其腐蝕原理則是Cl-與金屬發(fā)生了電化學(xué)反應(yīng)，久而久之，導(dǎo)致金屬逐漸消融。

格賓網(wǎng)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(zhì)固體的侵蝕，因此，Al含量成為了格賓網(wǎng)檢測的一個重要質(zhì)控點，其分析方法的準(zhǔn)確性和可操作性就變得尤為重要。為了適應(yīng)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(biāo)準(zhǔn)就應(yīng)運而生了。

1 鋁含量測定方法的機(jī)理分析

（1）根據(jù)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，F(xiàn)e及Cu離子分別與EDTA形成Zn2+—EDTA、

Fe2+—EDTA及Cu2+—EDTA絡(luò)合物，然后在乙酸條件下，加熱煮沸Al也形成Al3+—EDTA絡(luò)合物，此時加入二甲酚橙，繼續(xù)用Pb（NO3）2標(biāo)準(zhǔn)滴定溶液滴定，由于Pb2+—EDTA絡(luò)合物比Pb2+—二甲酚橙絡(luò)合物（紫紅色）的K穩(wěn)值大得多，更穩(wěn)定，所以Pb2+先與過量的EDTA絡(luò)合，再與二甲酚橙絡(luò)合，當(dāng)橙紅色突變?yōu)樽霞t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(luò)合物解蔽，釋放出與Al3+等量的EDTA，繼續(xù)用Pb（NO3）2溶液返滴定釋放出的EDTA，同理，當(dāng)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(jìn)行鋁含量檢測的過程中，出現(xiàn)了以下異?，F(xiàn)象。

（1）在文獻(xiàn)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?，F(xiàn)象應(yīng)為橙黃色，然后用0.025mol/LPb（NO3）2標(biāo)準(zhǔn)滴定溶液滴至紅色，但是結(jié)果卻發(fā)現(xiàn)滴入二甲酚橙后，未滴定溶液立馬變成了紅色，無法進(jìn)行終點判斷。

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

（3）制備試樣時，按照文獻(xiàn)中A.3.1中取6根5cm長試樣[1]，并沒有考慮到樣品規(guī)格和單位面積鍍層質(zhì)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(zhì)量各異的鋼絲做對比試驗，結(jié)果見表1。

表1 相同直徑、不同單位面積鍍層質(zhì)量以及合金質(zhì)量 Al3+含量設(shè)計值：5%

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

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

表2 不同直徑、相同單位面積鍍層質(zhì)量以及合金質(zhì)量 Al3+含量設(shè)計值：5%

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

綜上所述，不同規(guī)格的鋼絲，取樣長度相同的條件下，合金質(zhì)量差別很大，實驗現(xiàn)象異常應(yīng)該與試驗試劑加入量有關(guān)。

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(shè)合金質(zhì)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(luò)合分析液中Zn2+所消耗的 EDTA量：

其中：m --------- 合金質(zhì)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(zhì)量；

26.98 --------- Al的相對原子質(zhì)量。

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

4 合金質(zhì)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(zhì)量，g/m2

m ----------- 合金鍍層質(zhì)量，g

假設(shè)鋼絲鍍層Al3+含量為5%，則Zn2+含量為95%。

V1+V2=25mL，結(jié)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?，F(xiàn)象發(fā)生，解決措施如下：

① 將合金質(zhì)量估算值控制在0.6±0.01g；

② 適當(dāng)過量：將EDTA加入量由25mL提升至30mL。

③ 若不考慮合金質(zhì)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(xué)試劑不必要的損耗。

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

5 對于市場現(xiàn)行的鍍層中10%Al3+含量的新型鋼絲的探究

假設(shè)控制合金質(zhì)量為0.6±0.01g，鍍層中Al3+含量為設(shè)計值10%，則根據(jù)以上公式V1、V2可推算出所需EDTA絡(luò)合Zn2+、Al3+總消耗量約為26mL，而市場上生產(chǎn)出的鋼絲鍍層Al3+含量的實際值≥10%。

舉例：假設(shè)鍍層中Al3+含量的實際值為18%，合金質(zhì)量為0.6g，則EDTA總消耗量約為28mL，而EDTA應(yīng)適當(dāng)過量，顯然30mL是不足量的，故EDTA實際加入量應(yīng)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(jìn)方案的佐證

分別取六種不同規(guī)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(shè)計值為5%，而④，⑤，⑥的鍍層Al3+含量設(shè)計值為10%，直徑和單位面積鍍層質(zhì)量各不相同，具體結(jié)果如表3，4所示。

表4 鋼絲鍍層Al3+含量、合金質(zhì)量和鍍層質(zhì)量 Al3+含量設(shè)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(zhì)量都被控制在0.6000±0.0500g，，加入的EDTA量均為35mL，且實驗現(xiàn)象明顯無異常（終點判斷：橙紅色變?yōu)樽霞t色），同時也證明了筆者先前的假設(shè)與猜想。

7 結(jié)論與展望

從本次對比實驗結(jié)果來看，對于同一種檢測方法而言，不同規(guī)格的鋼絲制品，其所需取樣數(shù)量及試劑用量也是各不相同?，F(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)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(tǒng)規(guī)格的格賓網(wǎng)而言的，這與當(dāng)時的科技發(fā)展程度以及人們對其認(rèn)知的局限性是密不可分的。但是隨著時代的不斷發(fā)展，工程質(zhì)量也不斷提高，產(chǎn)品也隨之更新?lián)Q代，此時，如果仍然按照與傳統(tǒng)產(chǎn)品相匹配的傳統(tǒng)方法去分析樣品，顯然是不合理的。在此，為了更好的服務(wù)于社會與大眾，也為了保證試驗結(jié)果的公正性與準(zhǔn)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(jìn)行修訂。

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

[2]劉銘飛.格賓網(wǎng)生態(tài)石籠生態(tài)防護(hù)技術(shù)在紅旗水庫護(hù)坡工程中的應(yīng)用[J].現(xiàn)代農(nóng)業(yè)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.