光谱分析法在建筑用钢质量控制中的研究与应用

2013-09-11徐创霞

四川建筑 2013年2期

徐创霞

(四川省建筑科学研究院，四川成都610081)

近年来随着房地产行业大力发展和国家对基础设施建设的加大投入，使得我国的建筑技术不断向更深方向迈进，高层建筑和钢结构建筑不断增多，这些变化使得我国每年生产的钢材有相当的比例用于建筑业。高强度和高性能的特种钢材被大量的用到工程建设的关键部位，同时大量的工程建设对建筑用钢材，尤其是特种钢材提出了更为严格的要求。建筑用钢材的质量对工程质量起到了至关重要的作用，严格控制建筑用钢材的质量从很大程度上能起到控制工程质量的作用。建筑用钢的性能检测包括物理性能和化学成分检测，传统意义上的物理性能检测已不能满足建筑用钢材的质量控制，尤其一些高强度高性能的特种用钢和比较复杂的钢结构工程，还必须同时从化学性能来控制其质量。光谱分析法对一些已经安装好的钢结构工程和施工中出现质量问题的钢结构及所用钢材用化学成分检测来分析解决工程质量问题甚至更为方便和快捷，同时钢材的化学成分检测还可以解决施工存在的钢筋替换问题。

1 光谱分析的原理

光谱分析法是利用物质在热激发或电激发下，每种元素的原子或离子发射特征光谱来判断物质的组成，而进行元素的定性与定量分析的方法。由于每种元素都有自己的特征谱线，因此可以根据光谱来鉴别物质和确定它们的化学组成，这种方法叫光谱分析。某种元素在物质中含量达到一定程度，就可以从光谱中发现它的特征谱线，而且能够把它检查出来。

光谱分析所利用的是原子或离子所发射的线状光谱。各元素原子或离子均有他自己的一系列波长的谱线所组成的特征光谱。从光谱中辨认并确定出各元素的特征谱线中的一些灵敏线，这便是定性分析的基础。各元素特征谱线的强度是样品中该元素的含量的函数。依据谱线的强度确定含量，这便是定量分析的基础。

在建筑用钢的测试分析中主要采用原子发射光谱分析法，该分析法所采用的原理是用电弧(或火化)的高温使样品中各元素从固态直接气化并被激发而发射出各元素的特征波长，用光栅分光后，成为按波长排列的“光谱”，这些元素的特征光谱线通过出射狭缝，摄入各自的光电倍曾管，光信号变成电信号，经仪器的控制测量系统将电信号积分并进行模/数转换，然后由计算机处理，并打印出各元素的百分含量。

2 光谱分析法的应用范围

建筑用钢材通常含有碳(C)、硫(S)、硅(Si)、锰(Mn)、鳞(P)、铬(Cr)、镍(Ni)、钴(Co)、铜(Cu)、钼(Mo)、钛(Ti)、铌(Nb)、钨(W)、碲(Te)、钒(V)、硒(Se)等多种元素。其中影响钢材性能的主要有 C、S、Si、Mn、P、Cr、Ni等元素。建筑用普通钢材如钢筋、角钢、工字钢、扁钢等主要为碳素钢和中低合金钢，影响其性能的化学元素主要为C、S、Si、Mn、P五种元素，而影响不锈钢性能的化学元素还包括Cr、Ni等主要元素。

据统计分析，目前建筑用钢材中碳素钢、中低合金钢的化学元素 C、S、Si、Mn、P 的含量范围，如表1 所示。

表1 建筑用中碳素钢、中低合金钢化学元素含量范围

用光谱分析法可测定碳素钢和中低合金钢中碳、硅、锰、磷、硫、铬、镍、钨、钼、钒、铝、钛、铜、铌、钴、硼、锆、砷、锡等元素。各元素的测量范围如表2所示。

表2 光谱法测定碳素钢、中低合金钢化学元素范围

续表2

通过表1和表2的比较，可以看出光谱分析法元素测量范围能够完全满足建筑用碳素钢、中低合金钢等钢材中元素含量范围，光谱分析法可以用于建筑用碳素钢、中低合金钢等钢材的化学成分测定。

据统计分析，目前建筑用不锈钢的化学元素 C、S、Si、Mn、P、Cr、Ni的含量范围如表 3 所示。

表3 建筑用不锈钢中化学元素含量范围

用光谱分析法可测定不锈钢中碳、硅、锰、磷、硫、铬、镍、钨、钼、钒、铝、钛、铜、铌、钴、硼、铅、砷、锡等元素。各元素的测量范围如表4所示。

表4 光谱法测定不锈钢化学元素范围

续表4

通过表3和表4的比较，可以看出光谱分析法元素测量范围能够完全满足建筑用不锈钢中化学元素含量范围，光谱分析法可以用于建筑用不锈钢的化学成分测定。

3 光谱分析法的优越性

将光谱分析法应用于建筑用钢尤其是高强度高性能的特种用钢和钢结构工程中能很好的弥补化学分析方法中存在的不足之处，对工程质量的控制起到了至关重要的作用

(1)提高分析测试速度。当前，对于钢材化学成分的检测主要采用传统的化学分析法。该方法采用取样、称样、熔样、化学定容、显色反应、比色等过程，所需时间较长，而且每种元素都有单独的化学分析方法，如测碳采用管式炉内燃烧后气体容量法，测硫采用次甲基蓝分光光度法，测硅采用还原型硅钼酸盐分光光度法，测锰采用高碘酸钠光度法，测磷采用乙酸丁酯萃取光度法，测铬采用碳酸钠分离－二苯碳酰二肼光度法，测镍采用丁二酮肟分光光度法等。对一组建筑用不锈钢中碳、硅、锰、磷、硫、铬、镍的测定所需要的时间往往需要3～5 d，难以满足当今工程建设中的大量用钢。光谱分析法可同时测定碳、硅、锰、磷、硫、铬、镍、钨、钼、钒、铝、钛、铜、铌、钴、硼、铅、砷、锡等19种元素，而一组建筑用不锈钢的测定从制样到测试分析数据只需要10～20 min即可完成，大大提高了分析速度，对建筑用钢材的质量控制起到了很好的作用。

(2)提高了分析测试准确度。传统的化学分析法在化学药品及试剂、实验室分析用水、实验室环境、称样、熔样、定容、加显色剂、比色、仪器等各个环节中存在误差，往往会导致分析结果的误差偏大。而光谱分析法涉及的环节较少，其分析结果误差较小。用传统化学分析法和光谱分析法分别对同一个304 不锈钢(0Cr18Ni9)标钢的 C、S、Si、Mn、P、Cr、Ni元素含量进行测定，其结果如表5。

表5 标准304不锈钢(0Cr18Ni9)中化学元素含量测定值及误差

续表5

从表5的化学分析法与光谱分析法测定值与标准值的误差分析可以看出，光谱法分析的数据更靠近标准值，提高了分析测试的准确度。

(3)降低分析成本，减少环境污染。光谱分析法的分析测试成本主要是首次购置光谱分析仪，后期的投入成本很小。而化学反应在分析测试中投入成本较大，不光要购置所需的各种仪器，还要购置大量的化学药品与试剂，而化学药品试剂和所配置的试剂有一定的有效期，超过有效期限需要重新配置，增加了分析测试成本，同时化学废液的处理会对环境有一定的污染。光谱分析在降低分析成本减少环境污染方面有一定的优势。

(4)其他方面。如化学分析法涉及的化学药品与试剂较多，许多为有毒有害物质，并且化学分析过程中涉及到高温煮沸等会导致强酸等有害化学品的挥发和溅出，会对人体有一定的损害。光谱分析法不涉及化学药品与试剂，从而避免对人体的损害。

4 光谱分析法在建筑工程质量控制和事故分析中的应用

(1)加强建筑用钢材的质量控制。在材料进场入施工现场前对大量的建筑用钢材尤其是高强度高性能的特种用钢进行分析测定其 C、S、Si、Mn、P、Cr、Ni等主要元素的含量，看是否满足设计用钢材质的要求，从源头控制建筑用钢材的质量。

(2)对不同材质或牌号的建筑用钢进行区分。施工中为节省费用，经常出现钢筋替换现象，一般的力学性能测试很难区分和辨别，钢材的化学成分测试能很好的解决这一难题。因不同材质或牌号的钢材其元素含量要求不同，通过光谱分析可以对其进行区别，从而可以控制工程施工中出现的以次充好的调包现象。

(3)分析解决工程质量事故。建筑用钢的光谱分析对解决工程质量事故起了重要作用。在因钢材质量问题引起的建筑工程质量事故分析中，除物理性能检测外，化学成分分析是查找事故原因的重要方法和手段，具有相当重要的作用。如某钢结构工程中设计用钢的牌号为Q235B(含碳量≤0.20%)，但在施工焊接中发现该钢材焊接性能很差，通过光谱分析测试发现该钢材含碳量达到0.32%，超过该牌号钢含碳量规定值12%。据相关资料:“钢中含碳量增加，屈服点和抗拉强度升高，但塑性和冲击性降低，当含碳量超过0.23%时，钢的焊接性能变坏，因此用于焊接的低合金结构钢，含碳量一般不超过0.20%。”通过光谱分析可知导致该工程用钢焊接性能差的原因是其含碳量超标。