鋼筋混凝土用耐蝕鋼筋元素檢測(cè)技術(shù)

一、檢測(cè)原理

耐蝕鋼筋中碳、硅、錳、磷、硫、銅、鉻、鎳等元素的檢測(cè)，主要基于原子光譜學(xué)、X射線熒光光譜學(xué)、電化學(xué)分析及經(jīng)典濕法分析等原理。

1. 碳、硫檢測(cè)原理：通常采用高頻感應(yīng)燃燒-紅外吸收法。樣品在高頻感應(yīng)爐的高純氧氣流中加熱燃燒，碳元素轉(zhuǎn)化為二氧化碳，硫元素轉(zhuǎn)化為二氧化硫?；旌蠚怏w經(jīng)除塵和除水后，進(jìn)入對(duì)應(yīng)的紅外吸收池。二氧化碳和二氧化硫?qū)μ囟úㄩL的紅外光具有選擇性吸收，其吸光度與氣體濃度成正比，據(jù)此計(jì)算出碳和硫的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。

2. 硅、錳、磷、銅、鉻、鎳等金屬元素檢測(cè)原理：

   • 火花放電原子發(fā)射光譜法：樣品作為電極，通過高能火花放電在氬氣氣氛中激發(fā)樣品表面，使被測(cè)元素原子化并激發(fā)至高能態(tài)。當(dāng)激發(fā)態(tài)原子躍遷回基態(tài)時(shí)，發(fā)射出特征波長的光譜線。通過測(cè)量各元素特征譜線的強(qiáng)度，并與標(biāo)準(zhǔn)樣品的校準(zhǔn)曲線進(jìn)行比較，實(shí)現(xiàn)對(duì)元素的定量分析。

   • X射線熒光光譜法：初級(jí)X射線照射樣品，使樣品中待測(cè)元素原子內(nèi)層電子激發(fā)而留下空穴。外層電子躍遷至內(nèi)層空穴時(shí)，會(huì)釋放出特征能量的次級(jí)X射線（即X射線熒光）。通過測(cè)定特征X射線的能量（定性分析）和強(qiáng)度（定量分析），確定樣品中元素的種類和含量。

   • 電感耦合等離子體原子發(fā)射光譜法：樣品經(jīng)酸消解轉(zhuǎn)化為液體，通過霧化器形成氣溶膠并導(dǎo)入高溫等離子體炬中。在等離子體高溫下，待測(cè)元素被原子化并激發(fā)，發(fā)射出特征波長的光。經(jīng)分光系統(tǒng)和檢測(cè)器測(cè)量譜線強(qiáng)度，進(jìn)行定量分析。

   • 濕法化學(xué)分析：基于經(jīng)典的化學(xué)滴定或分光光度法。例如，磷的測(cè)定可采用磷鉬藍(lán)分光光度法，在酸性條件下，磷酸根與鉬酸銨生成磷鉬雜多酸，被還原劑還原為藍(lán)色的磷鉬藍(lán)，其吸光度與磷含量成正比。

二、檢測(cè)項(xiàng)目

檢測(cè)項(xiàng)目可系統(tǒng)分類如下：

1. 常規(guī)五大元素：碳、硅、錳、磷、硫。這是評(píng)價(jià)鋼筋力學(xué)性能（如強(qiáng)度、韌性）和工藝性能（如焊接性、冷彎性）的核心指標(biāo)。磷、硫作為有害元素，需嚴(yán)格控制。

2. 耐蝕合金元素：銅、鉻、鎳。這些是賦予鋼筋耐大氣腐蝕、耐氯離子侵蝕等性能的關(guān)鍵合金成分。其含量及配比直接影響耐蝕機(jī)理（如促進(jìn)致密銹蝕層形成）的效果。

3. 碳當(dāng)量：并非直接檢測(cè)元素，而是根據(jù)碳、硅、錳等元素的檢測(cè)結(jié)果計(jì)算得出的綜合指標(biāo)，用于評(píng)估鋼筋的焊接冷裂傾向。

三、檢測(cè)范圍

耐蝕鋼筋廣泛應(yīng)用于對(duì)結(jié)構(gòu)耐久性要求極高的領(lǐng)域，其元素檢測(cè)覆蓋以下行業(yè)：

1. 海洋工程：跨海大橋、海港碼頭、海上平臺(tái)、沿海建筑。要求鋼筋具有極高的耐氯離子侵蝕能力，對(duì)銅、鉻、鎳等元素有特定要求。

2. 交通基礎(chǔ)設(shè)施：鐵路隧道、公路橋梁、涵洞。面臨除冰鹽、大氣腐蝕環(huán)境，需控制有害元素磷、硫，并保證耐蝕元素含量。

3. 水利工程：水壩、水閘、輸水管道。長期處于水、土壤等多因素腐蝕環(huán)境。

4. 工業(yè)建筑：化工廠、冶煉廠、鹽業(yè)車間。面臨酸、堿、鹽等工業(yè)介質(zhì)腐蝕。

5. 城市建設(shè)：地下綜合管廊、建筑地基、高層建筑外部構(gòu)件。需考慮城市大氣污染及混凝土碳化等因素。

四、檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)

國內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)對(duì)耐蝕鋼筋的元素含量均有明確規(guī)定。

1. 及國外主要標(biāo)準(zhǔn)：

   • ISO： ISO 16120（制鋼產(chǎn)品）等相關(guān)基礎(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)，以及ISO 19238（分析實(shí)驗(yàn)室能力驗(yàn)證）等通用檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)。

   • ASTM： ASTM A1035/A1035M 規(guī)定了低合金變形鋼筋和預(yù)應(yīng)力鋼筋的標(biāo)準(zhǔn)，其中包含耐蝕合金元素的要求。ASTM A706 對(duì)低合金變形鋼筋的化學(xué)成分（包括碳當(dāng)量）有嚴(yán)格限制。檢測(cè)方法標(biāo)準(zhǔn)如ASTM E415（火花源原子發(fā)射光譜法）、ASTM E1019（測(cè)定金屬及相關(guān)材料中碳、硫、氮、氧含量的方法）等。

   • JIS： JIS G 3112 鋼筋混凝土用鋼筋，對(duì)化學(xué)成分有具體要求。

   • EN： EN 10080 鋼筋混凝土用焊接鋼筋和非焊接鋼筋。

2. 中國主要標(biāo)準(zhǔn)：

   • 產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)： GB/T 33959 規(guī)定了耐腐蝕鋼筋混凝土用鋼的牌號(hào)、化學(xué)成分（包括C、Si、Mn、P、S、Cu、Cr、Ni等）、力學(xué)性能等。該標(biāo)準(zhǔn)對(duì)耐蝕元素的含量有明確的下限或范圍要求。

   • 檢測(cè)方法標(biāo)準(zhǔn)：

     • GB/T 20123（高頻感應(yīng)燃燒-紅外吸收法測(cè)定碳硫）

     • GB/T 4336（火花源原子發(fā)射光譜法測(cè)定碳素鋼和中低合金鋼中的多元素）

     • GB/T 20125（電感耦合等離子體原子發(fā)射光譜法測(cè)定低合金鋼中的多元素）

     • GB/T 223 系列（鋼鐵及合金化學(xué)分析方法），包含多種元素的滴定法、分光光度法等。

3. 標(biāo)準(zhǔn)對(duì)比分析：

   • 側(cè)：中國標(biāo)準(zhǔn)GB/T 33959等直接針對(duì)“耐腐蝕”鋼筋，對(duì)Cu、Cr、Ni等耐蝕元素的含量規(guī)定更為具體和明確。ASTM標(biāo)準(zhǔn)體系更側(cè)重于通過合金化提升綜合性能，包括耐蝕性。

   • 限值差異：各標(biāo)準(zhǔn)對(duì)P、S等有害元素的限值要求趨于嚴(yán)格，但具體數(shù)值可能存在細(xì)微差別。對(duì)碳當(dāng)量的計(jì)算公式和限值要求也略有不同。

   • 方法等效性：核心的儀器分析方法（如火花光譜、ICP-OES、紅外碳硫儀）在國內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)中原理相通，具有較好的等效性，但具體操作細(xì)節(jié)和校準(zhǔn)要求需遵循各自標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定。

五、檢測(cè)方法

1. 火花放電原子發(fā)射光譜法：

   • 操作要點(diǎn)：樣品需制備成光潔平整的塊狀；選擇與分析樣品相匹配的標(biāo)準(zhǔn)樣品繪制校準(zhǔn)曲線；分析前用標(biāo)準(zhǔn)樣品進(jìn)行類型標(biāo)準(zhǔn)化，以校正儀器漂移；保證激發(fā)臺(tái)清潔，避免交叉污染；嚴(yán)格控制氬氣純度和流量。

2. 高頻感應(yīng)燃燒-紅外吸收法：

   • 操作要點(diǎn)：需使用專用坩堝，并加入適量助熔劑（如鎢粒、純鐵）；樣品稱量需精確；確保系統(tǒng)氣密性良好；定期檢查并更換干燥劑和除塵劑；使用有證標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)進(jìn)行校準(zhǔn)和監(jiān)控。

3. 電感耦合等離子體原子發(fā)射光譜法：

   • 操作要點(diǎn)：樣品必須完全消解為澄清溶液；需配置混合酸（如鹽酸-硝酸）體系；制定合理的消解程序；選擇無干擾或干擾可校正的分析譜線；采用內(nèi)標(biāo)法（如釔、鈧）校正物理干擾和信號(hào)漂移；注意基體匹配或使用基體消除技術(shù)。

4. X射線熒光光譜法：

   • 操作要點(diǎn)：樣品表面需均勻、平整；可制作熔融玻璃片或粉末壓片以消除礦物效應(yīng)和顆粒度效應(yīng)；建立校準(zhǔn)曲線需覆蓋待測(cè)元素含量范圍；定期監(jiān)控X射線管的強(qiáng)度和穩(wěn)定性。

5. 濕法化學(xué)分析：

   • 操作要點(diǎn)：流程長，操作繁瑣，對(duì)人員技能要求高；需嚴(yán)格控制反應(yīng)條件（酸度、溫度、時(shí)間）；使用高純度試劑；配備合格的玻璃器皿；主要用于仲裁分析或驗(yàn)證儀器分析結(jié)果。

六、檢測(cè)儀器

1. 火花放電原子發(fā)射光譜儀：分析速度快（數(shù)十秒內(nèi)完成多元素分析），精度高，適用于爐前快速分析和成品檢驗(yàn)。核心部件包括高壓火花源、氬氣沖洗的光室、高分辨率的分光系統(tǒng)（如帕邢-龍格裝置）和光電倍增管或CCD檢測(cè)器。

2. 高頻感應(yīng)燃燒-紅外碳硫分析儀：專用于碳、硫的精確測(cè)定，靈敏度高，檢測(cè)下限低。關(guān)鍵組成部分為高頻感應(yīng)爐、紅外檢測(cè)池和氣體凈化系統(tǒng)。

3. 電感耦合等離子體原子發(fā)射光譜儀：具有更低的檢測(cè)限和更寬的線性動(dòng)態(tài)范圍，可分析從痕量到常量的元素，抗光譜干擾能力強(qiáng)。核心是高溫等離子體源、霧化系統(tǒng)和中階梯光柵分光系統(tǒng)。

4. X射線熒光光譜儀：樣品前處理相對(duì)簡(jiǎn)單，可實(shí)現(xiàn)無損或微損分析，適用于固體樣品。分為波長色散型和能量色散型，前者分辨率更高，后者分析速度更快。

5. 輔助設(shè)備：包括用于樣品制備的切割機(jī)、磨樣機(jī)、車床；用于ICP樣品前處理的微波消解儀；分析天平等。

七、結(jié)果分析

1. 數(shù)據(jù)有效性確認(rèn)：

   • 質(zhì)量控制：分析過程中必須插入控制樣（有證標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)或已知含量的內(nèi)控樣），其結(jié)果應(yīng)在認(rèn)定值的不確定度范圍內(nèi)或滿足內(nèi)控要求。

   • 精密度：平行樣品的測(cè)定結(jié)果應(yīng)符合標(biāo)準(zhǔn)方法規(guī)定的允許差。

   • 準(zhǔn)確度：通過標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)驗(yàn)證或?qū)嶒?yàn)室間比對(duì)來確認(rèn)。

2. 元素含量評(píng)判：

   • 符合性判定：將各元素的檢測(cè)結(jié)果與適用的產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)（如GB/T 33959、ASTM A1035等）規(guī)定的化學(xué)成分要求進(jìn)行逐項(xiàng)比對(duì)，判斷是否合格。

   • 耐蝕性能關(guān)聯(lián)分析：綜合分析Cu、Cr、Ni等耐蝕元素的含量。通常要求這些元素具有一定的含量（如Cu ≥ 0.20%， Cr ≥ 0.30%， Ni ≥ 0.10%，具體依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)），并且其總含量或特定組合達(dá)到規(guī)定值，以確保形成有效的保護(hù)性銹層。

   • 工藝性能評(píng)估：

     • 碳當(dāng)量計(jì)算：根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)公式（如Ceq = C + Mn/6 + (Cr+Mo+V)/5 + (Ni+Cu)/15）計(jì)算碳當(dāng)量，評(píng)估焊接性能。碳當(dāng)量值越低，焊接性越好。

     • P、S危害評(píng)估：P含量高易導(dǎo)致冷脆，S含量高易導(dǎo)致熱脆。需嚴(yán)格控制在標(biāo)準(zhǔn)限值以下。

3. 異常結(jié)果分析：若檢測(cè)結(jié)果超出標(biāo)準(zhǔn)范圍或與預(yù)期不符，需排查原因，包括：樣品是否具有代表性、制樣過程是否污染、儀器校準(zhǔn)是否準(zhǔn)確、分析方法選擇是否恰當(dāng)、操作過程是否存在失誤等，必要時(shí)進(jìn)行復(fù)檢或采用不同原理的方法進(jìn)行驗(yàn)證。