用火焰光度法测定减水剂中碱含量

尹亚丹

摘要：混凝土中的总含碱量对公路工程混凝土结构抵抗碱集料反应的耐久性有重大影响，特别是存在碱活性集料的情况下，对公路的桥梁、涵洞、隧道、路面等结构的使用年限有致命的危害。文章以NOF-AS聚羧酸系高性能减水剂为研究对象，采用火焰光度法测定其碱含量，并结合仿真软件Matlab对试验结果进行了数据处理与分析。

关键词：减水剂；火焰光度法；碱含量；Matlab；混凝土结构；公路工程 文献标识码：A

中图分类号：TU528 文章编号：1009-2374（2016）02-0071-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.02.035

1 概述

混凝土中的总含碱量对公路工程混凝土结构抵抗碱集料反应的耐久性有重大影响，特别是存在碱活性集料的情况下，对公路的桥梁、涵洞、隧道、路面等结构的使用年限有致命的危害。近幾年来国内外有多种外加剂，聚羧酸盐类高性能减水剂是国内目前开发的新型外加剂。其主要特点是外加剂中氯离子和碱含量较低，掺量低，减水率高。减水剂的添加可以改善混凝土的性能结构，以满足其在施工性能、耐久性能及力学性能等各个方面的技术要求。混凝土中所用到的含碱减水剂是有效增加混凝土中碱含量的重要途径，因此为了保证结构的安全使用，必须同时对碱活性集料及混凝土中的碱含量加以严格限制。本文研究减水剂中的碱含量对混凝土进行改性具有重要的理论指导意义。

2 试验与方法

火焰光度计是以发射光谱法为基本原理的一种分析仪器。利用火焰光度计中所产生的火焰的热能把所测未知所测溶液的某种元素的原子激发出相应的特征光谱，进而检测出光谱能量的强弱程度，最终判断未知所测溶液中物质含量的高低。

2.1 火焰光度法基本原理

火焰光度计法是利用发射谱线强度与物质元素浓度的对应关系，来确定所检物质含量的一种试验方法。用80℃左右的热水将所测减水剂试样溶解，采用氨水将铁、铝分离出来；采用碳酸钙将钙、镁分离。采用火焰光度计及相应的滤光片来测定滤液中的钾离子和钠离子（碱）。试样前需要对火焰光度计高标、低标设置，并进行空白试验。由于被测元素的绝对浓度值是无法直接从火焰光度计显示表中得出，因此首先试验中必须配制所用到的氧化钠、氧化钾标准溶液，采用不同浓度的标准溶液进行待定检测标定，分别绘制出氧化钠、氧化钾的溶液的浓度-检流计读数工作曲线，然后采用相同的试验方法对未知浓度的减水剂溶液进行测定。通过火焰光度计仪器显示得出钠、钾读数后，再从各自的标准工作曲线上找到相对应的浓度值，进而可以得出所测减水剂的未知浓度值。

2.2 试验准备

2.2.1 燃料。通常使用汽油来作为燃料，将2500～3000mL的汽油注入到汽油气化缸内，使缸体内预留出1/3的空间。使用时，将压缩空气注入气化缸一端，汽油液面下出现冒泡翻滚现象，使气化缸上方1/3的空间充满压缩空气，接着用导管引入火焰光度计燃气进口。注意当时试验的环境温度，以使汽油气化，达到能够燃烧的目的。对汽油也有使用时间、生产库存时间以及保存条件等的影响，注意试验中一定不能使用乙醇汽油，严格进行控制。为达到高效燃烧的目的，推荐使用97号汽油。汽油是否需要更换，试验中可观察火焰的燃烧情况而定。如果引燃后，火焰已很小，继续增大燃气量，火焰已无变化，则表明汽油中可燃组分已耗尽，需更换汽油了，更换汽油时一定要预留汽油液面以上1/3的空间。

2.2.2 水。由于溶液配制过程中，采用不同的蒸馏水作溶剂，会产生不同的背景值。为克服这个差异，试验中所涉及的水均为同一容器中的蒸馏水或同等纯度的水。

2.2.3 溶剂。根据仪器检测范围，制备必要的检测标准溶液，以便进行相对测定。试验中所涉及的化学试剂均为分析纯AR化学试剂：（1）氧化钾、氧化钠标准溶液：精确称取已在130℃～150℃烘过2h的氯化钾0.7920g及氯化钠0.9430g置于烧杯中，加蒸馏水溶解后，移入至1000mL的容量瓶中，用水稀释至标线，摇匀，转移至干燥的带盖的塑料瓶中。此标准溶液每毫升相当于氧化钾及氧化钠0.5mg；（2）体积比1∶1的盐酸；（3）体积比1∶1的氨水；（4）质量分数10%的碳酸铵溶液；（5）质量分数0.2%的甲基红指示剂。

2.3 试验步骤

2.3.1 工作曲线绘制。分别向100mL的容量瓶中注入0.00mL、1.00mL、2.00mL、4.00mL、8.00mL、12.00mL的氧化钾、氧化钠标准溶液（分别相当于该标准溶液中含有氧化钾、氧化钠各0.00mg、0.50mg、1.00mg、2.00mg、4.00mg、6.00mg），用蒸馏水稀释至容量瓶标线，将各个浓度的氧化钠、氧化钾溶液摇匀，分别放置在火焰光度计上按仪器使用规程进行测定，根据所测得的检流计读数与溶液的浓度关系，分别绘制出氧化钾及氧化钠的标准工作曲线。

3 数据处理与分析

3.1 工作曲线的绘制

根据实际试样的产品合格证，确定称样量为0.10g，稀释倍数为2.5。根据氧化钾与氧化钠百分含量计算方法得出不同浓度标准溶液中氧化钾及氧化钠的百分含量，按照火焰光度计的使用规程，依次按标准溶液中氧化钾、氧化钠的百分含量由低至高进行测定，得出检流计读数与溶液的浓度关系。根据百分含量计算公式，分别计算上述不同氧化钾、氧化钠标准溶液浓度的氧化钾（氧化钠）百分含量（%）：0；1.25；2.5；5；10；15。对应火焰光度计的K（Na）读数：0（0）；26（23）；36（33）；51（48）；114（94）；162（131）。

以每个标准溶液的氧化钾或氧化钠百分含量为横坐标，以其相对应所测得的读数值为纵坐标，分别绘制氧化钾及氧化钠的标准工作曲线，见图2：

3.2 减水剂试验结果

利用数据处理软件Mtlab，拟合出氧化钾及氧化钠的工作曲线公式。按照火焰光度计的使用规程，测出减水剂溶液的读数，在相应的工作曲线中按公式分别计算出氧化钾、氧化钠的百分含量，结果取两次平行试验的平均值，进而测得减水剂中的总碱量。试验结果见表1，两次平行试验结果在误差允许范围之内，符合试验要求。

4 结语

利用火焰光度计法测减水剂中的总碱量具有灵敏度高、所需样品少、操作简单、分析速度快等优点，同时文中采用数据处理软件Matlab进行精确计算，进而快速获得准确可靠数据。因此，掌握火焰光度计的正确操作规程，将硬件与软件相结合，达到有效测试减水剂中总碱量的目的，进而有效控制混凝土中的碱含量，对有效抑制集料-碱反应及混凝土减水剂技术的发展具有一定的理論指导意义。

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（责任编辑：秦逊玉）