火焰光度法检测混凝土碱含量影响因素研究

（镇江新区建设工程质量中心试验室，江苏 镇江 212000）

0 前言

混凝土骨料中一些活性矿物（活性氧化硅、活性氧化铝等）与硬化混凝土孔隙中的碱溶液产生化学反应，生成碱－硅酸凝胶、碱－碳酸凝胶。这些反应产物吸水产生膨胀压力，使混凝土发生开裂、强度降低，严重时会导致混凝土破坏。为避免产生这种碱骨料反应，混凝土中的碱含量受到了严格限制。例如：GB/T50476-2019《混凝土结构耐久性设计标准》规定对骨料有活性且处于相对湿度不低于75%环境条件下的混凝土结构构件，应严格控制混凝土碱含量不超过3kg/m3。因此，准确检测出混凝土碱含量显得十分重要。本文对火焰光度法检测混凝土碱含量过程中的影响因素进行了研究，为同行提供参考。

1 混凝土碱含量检测

1.1 主要设备及试剂材料

AP1200 型火焰光度计；振荡器；低温电加热板；1000ml、500ml、100ml容量瓶；氯化钾、氯化钠基准试剂；分析纯氢氟酸、盐酸、硫酸、氨水、碳酸铵、甲基红；从四个不同构件取出的直径和高度均为100mm 芯样，每组3个，共4 组。

1.2 试样制备

首先将混凝土试件破碎，剔除石子。之后将试样缩分至100g，研磨至全部通过0.08mm 筛，并用磁铁吸出试样中的金属铁屑。最后将试样置于105℃～110℃烘箱中烘干2h，取出放入干燥器中冷却至室温备用。

1.3 试验过程

称取0.2g 试样（m29），精确至0.0001g，置于铂皿(或聚四氟乙烯器皿)中（本实验采用聚四氟乙烯器皿），加入少量的水润湿，加入 5ml～7ml 氢氟酸和15～20 滴硫酸(1+1)，放入通风橱内的电热板上低温加热，近干时摇动铂皿以防溅失，待氢氟酸驱尽后逐渐升高温度，继续加热至三氧化硫白烟冒尽，取下冷却。加入40ml～50ml 热水，用胶头擦棒压碎残渣使其分散，加1 滴甲基红指示剂溶液，用氨水(1+1)中和至黄色，再加入10ml 碳酸铵溶液，搅拌，然后放入通风橱内电热板上加热至沸并持续微沸20min～30min。用快速滤纸过滤，以热水充分洗涤，用胶头擦棒擦洗铂皿，滤液及洗液收集于100ml 容量瓶中，冷却至室温。用盐酸(1+1)中和至溶液呈微红色，用水稀释至刻度，摇匀。在火焰光度计上，按仪器使用规程在工作曲线上分别求出氧化钾和氧化钠的含量（m30和m31）。混凝土中可溶性碱含量按照GB/T50784 标准制样完成后直接测试。

由于篇幅所限，试剂的配制和工作曲线的绘制请参照GB/T176-2017，制样过程和结果的计算请参照GB/T50784-2013。

1.4 检测数据及结果分析

笔者在长期的检测工作中，发现使用火焰光度计检测混凝土碱含量时，火焰的大小、被检测样品碱浓度以及各种试剂带入的碱性物质都会对检测结果产生一定的影响。本文针对以上三个影响因素进行研究。

图1 稍小火焰（燃气阀刻度为1.0）

图2 中等火焰（燃气阀刻度为1.5）

图3 稍大火焰（燃气阀刻度为1.7）

为研究不同大小火焰（图1、图2、图3）对测试结果的影响，试验采用氯化钾和氯化钠基准试剂配制一系列浓度的标准溶液，测试结果见表1。

表1 采用不同大小火焰碱含量测试结果

由表1数据可以分析得出当被测溶液中的碱含量（即氧化钾和氧化钠当量，以下统称为碱含量）在较低的范围内（一般为10μg/ml 以下），应采用图1和图2所示的在一定范围内（即仪器说明书所述范围）稍小的火焰检测。浓度在10μg/ml 和30μg/ml 之间时采用图2至图3所示火焰大小检测较为合适。而随着被测溶液中碱含量浓度超过30μg/ml，试验对火焰大小的控制要求有明显提高，火焰大小直接会对测试结果产生很大的影响，这时宜采用稍大的火焰来检测。一般来讲，随着被测溶液浓度增加，火焰要随之适当调大才能获得更为准确的测试结果。试验所用三种大小的火焰适宜检测的浓度范围为表1所示的阴影部分。需要特别注意的是，火焰光度计面板上有一个校准键，该键是在火焰大小不变的情况下实施校准的。一旦调整火焰就必须待仪器稳定后重新制作标准曲线，否则数据就会出现严重偏差，因篇幅所限，此处就不再列举数据论述。

为研究被检测样品碱浓度对测试结果的影响，本试验采用四个不同的混凝土构件上取的4 组芯样，按GB/T50784 标准制样，按GB/T176 标准采用火焰光度计法进行检测，测试结果见表2和表3。

表2 1、2 号构件芯样可溶性碱含量测试结果

由表2和表3数据可以看出，当被测溶液碱浓度较低时（5.0μg/ml 以下）火焰光度计的读数相对稳定。随着碱浓度的逐渐升高，火焰光度计的读数变的不稳定。特别是测试混凝土水溶性碱含量时，由于试验所用试样较多，溶液中的碱浓度相对较高，当超出40μg/ml 时即超出工作曲线之外，读数变得极不稳定，漂移较大。这时就需要对样品进行适当稀释之后再测试，以获得较为准确稳定的读数。试验数据见表3，将溶液稀释10 倍后测得的数据较为稳定，结果更准确。

表3 3、4 号构件芯样总碱含量测试结果

另外，需要特别注意的是GB/T176-2017《水泥化学分析方法》中规定在检测时需要平行检测空白样品，在计算时需要扣掉空白试验值。而GB/T50784-2013《混凝土结构现场检测技术标准》则只是参照GB/T176 标准中的试验方法而没有规定空白检测。因为总碱含量试验过程中需要加入很多试剂，而这些试剂则会带入部分碱性物质。检测总碱含量所用样品较少，即使因为试剂带入的碱性物质较少，但依然会对结果造成很大影响。扣除空白值前后的测试结果见表3，由表3中数据可以看出测试结果差距明显。因此，笔者认为扣掉空白值以后的试验结果更为合理。

2 结论

采用火焰光度法检测混凝土中碱含量时（包括总碱含量，和可溶性碱含量），火焰大小应根据被测溶液中碱浓度来调节。一般来讲，当被测溶液碱浓度较低时（5.0μg/ml 以下）宜采用较小的火焰，而随着溶液浓度增加，火焰应适当调大。笔者建议将碱浓度较高的样品通过稀释适当倍数以后再进行检测，以获得较为稳定的读数和准确的检测结果。另外，有些标准中没有规定要平行检测空白试样，并减掉空白测试值。然而，试验过程中加入的很多试剂中会带入一定量的碱性物质，这会对检测结果产生很大的影响，特别是当被测样品碱含量较低的情况下，会使检测结果偏高很多。因此，笔者认为平行检测空白试样并减去空白值的操作十分有必要。