徐創(chuàng)霞

(四川省建筑科學研究院，四川成都610081)

近年來隨著房地產行業(yè)大力發(fā)展和國家對基礎設施建設的加大投入，使得我國的建筑技術不斷向更深方向邁進，高層建筑和鋼結構建筑不斷增多，這些變化使得我國每年生產的鋼材有相當?shù)谋壤糜诮ㄖI(yè)。高強度和高性能的特種鋼材被大量的用到工程建設的關鍵部位，同時大量的工程建設對建筑用鋼材，尤其是特種鋼材提出了更為嚴格的要求。建筑用鋼材的質量對工程質量起到了至關重要的作用，嚴格控制建筑用鋼材的質量從很大程度上能起到控制工程質量的作用。建筑用鋼的性能檢測包括物理性能和化學成分檢測，傳統(tǒng)意義上的物理性能檢測已不能滿足建筑用鋼材的質量控制，尤其一些高強度高性能的特種用鋼和比較復雜的鋼結構工程，還必須同時從化學性能來控制其質量。光譜分析法對一些已經安裝好的鋼結構工程和施工中出現(xiàn)質量問題的鋼結構及所用鋼材用化學成分檢測來分析解決工程質量問題甚至更為方便和快捷，同時鋼材的化學成分檢測還可以解決施工存在的鋼筋替換問題。

1 光譜分析的原理

光譜分析法是利用物質在熱激發(fā)或電激發(fā)下，每種元素的原子或離子發(fā)射特征光譜來判斷物質的組成，而進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，因此可以根據(jù)光譜來鑒別物質和確定它們的化學組成，這種方法叫光譜分析。某種元素在物質中含量達到一定程度，就可以從光譜中發(fā)現(xiàn)它的特征譜線，而且能夠把它檢查出來。

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

在建筑用鋼的測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，用光柵分光后，成為按波長排列的“光譜”，這些元素的特征光譜線通過出射狹縫，攝入各自的光電倍曾管，光信號變成電信號，經儀器的控制測量系統(tǒng)將電信號積分并進行模/數(shù)轉換，然后由計算機處理，并打印出各元素的百分含量。

2 光譜分析法的應用范圍

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元素還包括Cr、Ni等主要元素。

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

表1 建筑用中碳素鋼、中低合金鋼化學元素含量范圍

用光譜分析法可測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。各元素的測量范圍如表2所示。

表2 光譜法測定碳素鋼、中低合金鋼化學元素范圍

續(xù)表2

通過表1和表2的比較，可以看出光譜分析法元素測量范圍能夠完全滿足建筑用碳素鋼、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成分測定。

據(jù)統(tǒng)計分析，目前建筑用不銹鋼的化學元素 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元素含量范圍

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

表4 光譜法測定不銹鋼化學元素范圍

續(xù)表4

通過表3和表4的比較，可以看出光譜分析法元素測量范圍能夠完全滿足建筑用不銹鋼中化學元素含量范圍，光譜分析法可以用于建筑用不銹鋼的化學成分測定。

3 光譜分析法的優(yōu)越性

將光譜分析法應用于建筑用鋼尤其是高強度高性能的特種用鋼和鋼結構工程中能很好的彌補化學分析方法中存在的不足之處，對工程質量的控制起到了至關重要的作用

(1)提高分析測試速度。當前，對于鋼材化學成分的檢測主要采用傳統(tǒng)的化學分析法。該方法采用取樣、稱樣、熔樣、化學定容、顯色反應、比色等過程，所需時間較長，而且每種元素都有單獨的化學分析方法，如測碳采用管式爐內燃燒后氣體容量法，測硫采用次甲基藍分光光度法，測硅采用還原型硅鉬酸鹽分光光度法，測錳采用高碘酸鈉光度法，測磷采用乙酸丁酯萃取光度法，測鉻采用碳酸鈉分離－二苯碳酰二肼光度法，測鎳采用丁二酮肟分光光度法等。對一組建筑用不銹鋼中碳、硅、錳、磷、硫、鉻、鎳的測定所需要的時間往往需要3～5 d，難以滿足當今工程建設中的大量用鋼。光譜分析法可同時測定碳、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定從制樣到測試分析數(shù)據(jù)只需要10～20 min即可完成，大大提高了分析速度，對建筑用鋼材的質量控制起到了很好的作用。

(2)提高了分析測試準確度。傳統(tǒng)的化學分析法在化學藥品及試劑、實驗室分析用水、實驗室環(huán)境、稱樣、熔樣、定容、加顯色劑、比色、儀器等各個環(huán)節(jié)中存在誤差，往往會導致分析結果的誤差偏大。而光譜分析法涉及的環(huán)節(jié)較少，其分析結果誤差較小。用傳統(tǒng)化學分析法和光譜分析法分別對同一個304 不銹鋼(0Cr18Ni9)標鋼的 C、S、Si、Mn、P、Cr、Ni元素含量進行測定，其結果如表5。

表5 標準304不銹鋼(0Cr18Ni9)中化學元素含量測定值及誤差

續(xù)表5

從表5的化學分析法與光譜分析法測定值與標準值的誤差分析可以看出，光譜法分析的數(shù)據(jù)更靠近標準值，提高了分析測試的準確度。

(3)降低分析成本，減少環(huán)境污染。光譜分析法的分析測試成本主要是首次購置光譜分析儀，后期的投入成本很小。而化學反應在分析測試中投入成本較大，不光要購置所需的各種儀器，還要購置大量的化學藥品與試劑，而化學藥品試劑和所配置的試劑有一定的有效期，超過有效期限需要重新配置，增加了分析測試成本，同時化學廢液的處理會對環(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。

(4)其他方面。如化學分析法涉及的化學藥品與試劑較多，許多為有毒有害物質，并且化學分析過程中涉及到高溫煮沸等會導致強酸等有害化學品的揮發(fā)和濺出，會對人體有一定的損害。光譜分析法不涉及化學藥品與試劑，從而避免對人體的損害。

4 光譜分析法在建筑工程質量控制和事故分析中的應用

(1)加強建筑用鋼材的質量控制。在材料進場入施工現(xiàn)場前對大量的建筑用鋼材尤其是高強度高性能的特種用鋼進行分析測定其 C、S、Si、Mn、P、Cr、Ni等主要元素的含量，看是否滿足設計用鋼材質的要求，從源頭控制建筑用鋼材的質量。

(2)對不同材質或牌號的建筑用鋼進行區(qū)分。施工中為節(jié)省費用，經常出現(xiàn)鋼筋替換現(xiàn)象，一般的力學性能測試很難區(qū)分和辨別，鋼材的化學成分測試能很好的解決這一難題。因不同材質或牌號的鋼材其元素含量要求不同，通過光譜分析可以對其進行區(qū)別，從而可以控制工程施工中出現(xiàn)的以次充好的調包現(xiàn)象。

(3)分析解決工程質量事故。建筑用鋼的光譜分析對解決工程質量事故起了重要作用。在因鋼材質量問題引起的建筑工程質量事故分析中，除物理性能檢測外，化學成分分析是查找事故原因的重要方法和手段，具有相當重要的作用。如某鋼結構工程中設計用鋼的牌號為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，通過光譜分析測試發(fā)現(xiàn)該鋼材含碳量達到0.32%，超過該牌號鋼含碳量規(guī)定值12%。據(jù)相關資料:“鋼中含碳量增加，屈服點和抗拉強度升高，但塑性和沖擊性降低，當含碳量超過0.23%時，鋼的焊接性能變壞，因此用于焊接的低合金結構鋼，含碳量一般不超過0.20%?！蓖ㄟ^光譜分析可知導致該工程用鋼焊接性能差的原因是其含碳量超標。

5 結論

光譜分析法可以快速高效準確的對建筑用鋼的化學元素進行定性定量測定分析，對于控制工程質量，分析工程質量事故起到了至關重要的作用。

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