火花放電原子發射光譜法測定鋼筋碳當量的影響因素探討

邱桂文

（中鐵十六局集團第五工程有限公司，河北 唐山 063000）

熱軋帶肋鋼筋一直是我國主要的建筑材料之一，近年來占了我國鋼材年產總量的20%以上。鋼筋混凝土用熱軋帶肋鋼筋的使用性能包括力學性能和工藝性能，二者均與鋼筋中碳的含量及合金的含量有關。為了用一個單一參量來表示碳及合金元素對熱肋帶肋鋼筋的影響，人們提出了碳當量的概念，即：將除了碳以外的其他合金元素按一定的比例關系換算為碳元素，然后將所換算得到的系數與碳元素相加。碳當量是決定熱軋帶肋鋼筋性能及工程應用的關鍵因素，對控制工程質量具有重要的指導意義。碳當量越大，熱軋帶肋鋼筋越容易發生焊接開裂[1]。因此，《鋼筋混凝土用鋼 第2部分：熱軋帶肋鋼筋》（GB/T 1499.2-2018 ）分別對不同牌號的熱軋帶肋鋼筋規定了碳當量的最大值。

目前，檢測熱軋鋼筋碳當量的方法主要有傳統濕法化學分析法、原子吸收光譜法、電感耦合等離子體、原子發射光譜法等。火花放電原子發射光譜法是一種金屬固體樣品分析方法，可實現常量和微量多元素同時測定，并具有自動化程度高、分析速度快、精度高等優點，所以被廣泛用于測定熱軋帶肋鋼筋的碳當量[2]。

火花放電原子發射光譜儀的工作原理是：光源發生器在金屬樣品與電級之間放電，來激發原子使核外電子發生躍遷，發射出特征譜線，通過測定光的波長來確定元素種類，通過特征譜線的強度確定元素的含量[3]。在試驗過程中，如果操作不規范，就可能導致試驗數據不準確，并得到錯誤的檢驗結論，繼而埋下安全隱患甚至造成安全事故。

目前，學者們對影響測量準確度的部分因素如氬氣純度、氬氣流量、標樣的選用、電源穩定性、類型標準化、溫濕度等進行了大量的研究[4]，但針對樣品測試面不平整度、樣品測試面的處理方法、光譜儀通電時間、光譜磨樣機轉速等對試驗準確度的影響的研究卻很少。本文通過比較不同試驗條件下的測試結果，分析樣品測試面不平整度、樣品測試面的處理方法、光譜儀通電時間、光譜磨樣機轉速對試驗結果的影響，以提高試驗的準確度。

1 實驗部分

1.1 儀器和試劑

德國斯派克分析儀表公司生產的SPECTROCHECK型光電直讀式光譜儀；高純氬氣（純度為99.999%），佛山三水德力梅塞爾氣體有限公司生產；光譜磨樣機，濟陽縣輕工機械廠生產；塞尺；切割機。

分析純乙醇（純度大于95%）；分析純無水乙醇（純度大于99.7%）;光譜控樣，北京市海淀區海新標準物質研究室生產。

1.2 儀器工作條件

光譜室溫度為18℃~22℃，濕度小于60%；穩定電壓為220V；氬氣為0.5MPa；光譜儀靜態時氬氣流量為0.5L/min，火花室沖洗時氬氣流量為12L/min，光譜儀測量時氬氣流量為8L/min；沖洗時間為6s；預燃時間為15s；分析時間為6s；鎢對電極，直徑為6mm，頂端為45。的圓錐型；分光計的一級光譜線色散的倒數為0.4nm，焦距為0.5m，波長范圍為165nm~410nm，分光計的真空度保證在3Pa以下；光譜分析間隙為5mm。

1.3 試驗材料

樣品是由福建省三鋼集團有限責任公司提供的HRB400熱軋帶肋鋼筋。由于濕法化學分析法是仲裁方法，其準確性受到廣泛認可，所以采用濕法化學分析法測定值作為樣品碳當量的認定值。樣品的取樣和制樣方法采用GB/T 20066-2006《鋼和鐵 化學成分測定用試樣的取樣和制樣方法》，試驗樣品參數見表1。

表1 對比樣品參數

1.4 試驗方法

熱軋帶肋鋼筋碳當量的測定采用GB/T 4336-2016《碳素鋼和中低合金鋼 多元素含量的測定 火花放電原子發射光譜法（常規法）》。

1.4.1 類型標準化

火花放電原子發射光譜法的分析采用類型標準化方法，使用控制樣品對原始校準曲線的有限區域范圍進行修正。本次試驗選取的控制樣品為海新標準物質研究室生產的HRB400光譜控樣，其與比對試驗所用樣品具有相似的冶金加工過程、相似的組織結構和化學成分，可以用于類型標準化的修正。

1.4.2 樣品分析

①試驗前檢查儀器是否符合2.2的工作條件。②激發樣品2次-5次，以保證儀器處于最佳狀態。③在2.2的工作條件下，激發標準樣品4次，對校準曲線進行校正。④使用控制樣品校正分析樣品與繪制工作曲線樣品的差異。⑤激發分析樣品，每個樣品激發3次。⑥直接在光譜儀上讀出C、Mn、Cr、V、Mo、Cu、Ni的含量，并各求出其平均值，以%表示。

1.4.3 碳當量的計算

碳當量Ceq（%）的計算按照GB/T 1499.2-2018《鋼筋混凝土用鋼 第2部分：熱軋帶肋鋼筋》，碳當量計算公式為。

Ceq= C+Mn/6+(Cr+V+Mo)/5+(Cu+Ni)/15

2 結果與討論

2.1 通電時間對碳當量測試值的影響

關閉電源后，重新開機，一般要求應保證足夠的通電時間。分別在通電1h、3h、5h、7h、9h、11h后，測量樣品Ceq(0.30)和Ceq(0.42)的碳當量，見表2、圖1。從表2、圖1可以看出，在通電時間不同的情況下，樣品所測得的碳當量值沒有顯著差異。但在通電時間小于7小的情況下進行試驗，所測的碳當量值不穩定，而通電時間大于7小時后測試值穩定性較高。

分析認為當通電時間不足時，光譜儀的測光系統穩定性不夠，導致測得的相對光譜強度不穩定，而樣品中的成分含量用相對光譜強度來表示，所以最終導致碳當量的測試值不穩定。當通電時間超過7h后，光譜儀的測光系統穩定性強，樣品的碳當量測試值也穩定。所以，光譜儀開始試驗前應保證至少7h的通電時間。

2.2 光譜磨樣機轉速對碳當量測試值的影響

本研究使用的光譜磨樣機為砂紙磨盤，研磨材料為氧化鋯，砂紙的粒度為0.2mm。對樣品表面進行研磨時，分別設置磨樣機轉速為300r/min、500r/min、700r/min、900r/min、1100r/min。將光譜儀通電時間設為9h，分別測量在不同轉速下研磨測試面的樣品Ceq(0.30)和Ceq(0.42)的碳當量值，見表3、圖2。分析表3和圖2，可發現：若采用的研磨材料為氧化鋯、砂紙粒度為0.2mm，當磨樣機轉速從300r/min升至700r/min時，樣品測得的碳當量值較穩定、沒有顯著差異；當磨樣機轉速達到900r/min后，碳當量測試值急劇下降。

圖2 磨樣機轉速與碳當量測試值的關系

表3 不同轉速下所測得的碳當量值 Ceq/%

這是由于磨樣機轉速小于700r/min時，研磨過程中產生的熱量能夠及時散發，但當轉速達到900r/min時，由于樣品表面溫度過高，造成樣品表面的C發生氧化反應、生成二氧化碳，C的損失導致碳當量測試值偏低。所以，使用研磨測試面時，磨樣機轉速不可過大。

2.3 樣品測試面的不平整度對碳當量測試值的影響

使用光譜磨樣機反復打磨樣品測試面，并以塞尺測量其不平整度，直至試樣的不平整度為0.07mm，將光譜儀通電時間設為9h、光譜磨樣機轉速設為500r/min，測定樣品Ceq(0.30)和Ceq(0.42)的碳當量值，以同樣的方法分別測定不平整度為0.06mm、0.05mm、0.04mm、0.03mm、0.02mm、0.01mm時樣品的碳當量值，見表4、圖3。通過分析表4、圖3，可發現：不平整度在0.01mm至0.04mm之間時，樣品的碳當量測試值無明顯差別，數值較穩定；不平整度達到0.05mm后，樣品的碳當量測試值突然增大。

圖3 不平整度與碳當量測試值的關系

表4 樣品測試面不平整度與碳當量測試值的關系 Ceq/%

分析認為當樣品不平整度大于0.05mm時，由于待測樣品不平整導致激發時漏光。漏光造成光譜儀測得的相對光譜強度出現偏差，從而導致碳當量的測試值不準確。因此，研磨樣品測試面時必須保證不平整度不大于0.04mm。

2.4 樣品測試面的處理方式對碳當量測試值的影響

將通電時間定為9h、磨樣機轉速為500r/min、樣品測試不平整度小于0.04mm，對樣品測試面進行以下三個方式的處理：①對測試面研磨后，不做其它處理；②用磨樣機對樣品測試面研磨后，用99.7%的酒精擦拭；③用磨樣機對樣品測試面研磨后，用95%的酒精擦拭。由表5可看出，不同的處理方式，對樣品碳當量測試值的影響較大。測定結果見表5。

表5 樣品測試面處理方式與碳當量測試值的關系 Ceq/%

分析認為，采用方法1時測試面上存在油污，且磨樣機砂輪片上有很多細小的金屬顆粒，當磨樣機高速轉動時，樣品表面容易粘著細小金屬顆粒，從而影響了檢測結果。采用方法2和方法3有效得去除了樣品表面的油污和金屬顆粒，使試驗結果更加準確。但與方法2比較，方法3中因為95%的酒精中仍含少量水分，在一定程度上造成試驗結果有所偏差。從表5的結果看，方法2是最好的處理方式。

2.5 正確度試驗

分別對通電時間、磨樣機轉速、測試面不平整度及測試面的處理方式進行了優化，對優化前后樣品碳當量進行測試，結果如表6所示。

表6 試驗優化前后樣品碳當量測試值 Ceq/%

結果表示，對于不同的熱軋帶肋鋼筋，其碳當量測試值在優化后的正確度較優化前都有明顯提高，可以更好地滿足分析要求。

3 結論

本文對火花放電原子發射光譜法測定熱軋帶肋鋼筋碳當量進行了分析探索，并通過試驗分析了光譜儀通電時間、磨樣機轉速、測試面不平整度及測試面的處理方式對碳當量測試值的影響。結果表明，通電時間影響碳當量測試值的穩定性，磨樣機轉速、測試面平整度、測試面的處理方法對碳當量測試值有顯著影響。當通電時間大于9h、磨樣機轉速不超過700r/min、測試面不平整度小于0.04mm、測試面研磨后用無水乙醇擦拭，熱軋帶肋鋼筋碳當量測試值的正確度得到明顯提高，能夠更好地滿足實際生產需要。