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工程用格宾网锌铝合金镀层中铝含量的分析方法

时间:2019-02-06 18:22 作者:晟江格宾网www.szmales.com 点击:

  GB/T 20492-2006《锌-5%铝-混合稀土合金镀层钢丝、钢绞线》规范了锌-5%铝-混合稀土合金镀层钢丝中铝含量分析方法, 这也对市场存在的假冒伪劣产品起到了很好的抑制作用。然而随着科技的进步和对产品的越来越高的需求, 锌-5%铝-混合稀土合金镀层已经不能完全适应市场的需要, 市场上的产品更多的是以10%铝含量的形式出现。若按照GB/T20492-2006中规定的铝含量分析方法, 在显色过程中则会出现一系列问题。为此, 我们研究了其分析机理, 并提出相关改进意见和措施。

0、引言:

  格宾网又名石笼网, 格宾网在中国一般被称作生态绿格网, 在国外, 这种产品被制作成一种名为“gabion”的结构箱体。格宾网是单词“gabion”的音译, 简明英语词典中的解释是:篾筐, 金属筐。其笼体是用数根绑丝组装, 捆扎方法分为两种:一种是连续缠绕, 另一种则是按一定间距绑扎, 具体可根据设计要求;另一个部分是笼盖, 可分为分体式和连体式两种[1]

  其主要用途可以分为以下三个方面:

一、控制和引导河流及洪水:格宾网可使河床河岸得到永久性保护, 有效防止水流冲刷河岸使其破坏, 引发洪水泛滥, 导致生命财产遭受大量损失, 水土大量流失。

二、渠道、运河、河床:天然河流改造和人工渠道开挖时, 格宾网可对河岸或河床起到有效的永久性保护, 它还能控制水的流量, 防止水流失, 特别是在环境保护和水质保持上, 具有极佳的功效。

三、护岸护坡:石笼格宾网结构应用与江河湖岸和其坡脚防护方面是非常成功的案例, 它充分发挥了生态格网的优点, 达到其他方法无法实现的理想效果。

其防护技术特点主要有以下几个方面[2]:

一、亲水性好。格宾网石笼间的孔隙, 有利于水体流动, 为水土自然交换创造了条件。

二、耐久性好, 使用寿命长。格宾网材料采用热镀锌工艺使表面镀层更加稳定, 有效减少钢丝氧化作用, 经涂覆后的钢丝能有效提高使用寿命。

三、抗震性能好。箱笼系柔性结构, 受震后有小幅变异, 但不影响整体结构, 更不可能产生裂缝。

格宾网合金镀层的组成:

  合金镀层的主要成分为Zn和Al, 还有一些Fe、Cu等金属微量元素。其中Al含量对格宾网的抗腐蚀性起到了决定性作用。众所周知, 格宾网一般用途是包裹在混凝土表面, 从而提高混凝土抗冲击能力, 特别是在河道与河床以及护坡部位用的最为广泛, 但是在防护期间, 格宾网与河水, 海水是直接接触的, 而河海水域中存在一定量的Cl-, 尤其是海水, 其Cl-含量甚至达到了数万mg/L;一般来说, 对金属腐蚀最严重的也就是Cl-, 其腐蚀原理则是Cl-与金属发生了电化学反应, 久而久之, 导致金属逐渐消融。

  格宾网是Fe固体表面覆盖了一层合金镀层, 其中Al可以在表面形成致密的Al2O3氧化膜, 有效的减缓了河海中Cl-对Fe质固体的侵蚀, 因此, Al含量成为了格宾网检测的一个重要质控点, 其分析方法的准确性和可操作性就变得尤为重要。为了适应市场的需要, GB/T 20492-2006《锌-5%铝-混合稀土合金镀层钢丝、钢绞线》, 针对Al含量分析的标准就应运而生了。

1、铝含量测定方法的机理分析:

(1) 根据GB/T 20492-2006附录A中阐述, 首先将合金镀层溶解, 在微酸性条件下加入过量的EDTA, 使得溶解有镀层的溶液中的Zn, Fe及Cu离子分别与EDTA形成Zn2+—EDTA、

Fe2+—EDTA及Cu2+—EDTA络合物, 然后在乙酸条件下, 加热煮沸Al也形成Al3+—EDTA络合物, 此时加入二甲酚橙, 继续用Pb (NO3) 2标准滴定溶液滴定, 由于Pb2+—EDTA络合物比Pb2+—二甲酚橙络合物 (紫红色) 的K稳值大得多, 更稳定, 所以Pb2+先与过量的EDTA络合, 再与二甲酚橙络合, 当橙红色突变为紫红色时, 即溶液中过量的EDTA被消耗殆尽。

(2) 加入KF固体, 是为了将Al3+—EDTA络合物解蔽, 释放出与Al3+等量的EDTA, 继续用Pb (NO3) 2溶液返滴定释放出的EDTA, 同理, 当溶液由橙红色突变至紫红色时, 即为滴定终点, 由此计算铝含量。

2、合金镀层中铝含量测定存在的问题:

  在进行铝含量检测的过程中, 出现了以下异常现象。

(1) 在文献A.3.2中“加入10mL缓冲溶液”[2]后, 加入4~5滴二甲酚橙指示剂, 正常现象应为橙黄色, 然后用0.025mol/LPb (NO3) 2标准滴定溶液滴至红色, 但是结果却发现滴入二甲酚橙后, 未滴定溶液立马变成了红色, 无法进行终点判断。

(2) 试样规格D为2.60mm, 单位面积镀层质量为277.23g/m2, 铝含量设计值为10%。

(3) 制备试样时, 按照文献中A.3.1中取6根5cm长试样[1], 并没有考虑到样品规格和单位面积镀层质量以及合金镀层中铝含量。

(4) 对此, 我们选取了直径相同, 但是单位面积镀层质量各异的钢丝做对比试验, 结果见表1。

表1 相同直径、不同单位面积镀层质量以及合金质量

A l3+含量设计值:5%

表1 相同直径、不同单位面积镀层质量以及合金质量

  由表1可知, 相同规格的钢丝, 其单位面积镀层质量不同, 取样长度相同的条件下, 合金质量差别很大。

(5) 我们又选取了不同直径, 单位面积镀层质量设计值相同的钢丝做对比实验, 结果见表2。

表2 不同直径、相同单位面积镀层质量以及合金质量

Al3+含量设计值:5%

表2 不同直径、相同单位面积镀层质量以及合金质量

  由表2可知, 若单位面积镀层质量相似, 钢丝直径不同, 取样长度相同的条件下, 合金质量也迥异。

  综上所述, 不同规格的钢丝, 取样长度相同的条件下, 合金质量差别很大, 实验现象异常应该与试验试剂加入量有关。

3、试验试剂加入量探究:

(1) 所需EDTA量是可以用以下公式来表示的, 假设合金质量为m g, Zn2+含量为ω%, 那Al3+含量则为 (1-ω) %, 其他含量极低的微量元素可忽略不计。

因络合分析液中Zn2+所消耗的EDTA量:

计算公式

 

因络合分析液中Al3+所消耗的EDTA量:

计算公式

 

其中:m---------合金质量, g;

ω---------Zn2+含量, %;

1-ω---------Al3+含量, %;

25/200--------分液率;

65.38---------Zn的相对原子质量;

26.98---------Al的相对原子质量。

由上述公式可知, 在Al3+含量一定的条件下, 用于络合镀层中Zn2+、Al3+的EDTA量随合金质量的增大而增大, 说明了所需EDTA量并不是固定的。

4、合金质量的控制:

计算公式

 

式中:D-----------钢丝直径, mm;

L-----------钢丝长度, cm;

ρ-----------钢丝单位面积镀层质量, g/m2

m-----------合金镀层质量, g

假设钢丝镀层Al3+含量为5%, 则Zn2+含量为95%。

V1+V2=25m L, 结合公式 (1) 、 (2) 解得m=0.6104g

综上所述, 对于镀层Al3+含量为5%的钢丝而言, 若无异常现象发生, 解决措施如下:

(1) 将合金质量估算值控制在0.6±0.01g;

(2) 适当过量:将EDTA加入量由25m L提升至30m L。

(3) 若不考虑合金质量影响, 由公式 (1) 、 (2) 可推算, 需加入大量EDTA方可解决。

显然 (1) 、 (2) 措施较为合理, 而 (3) 不仅具有不可控性, 还在一定程度上会造成化学试剂不必要的损耗。

注:根据公式 (3) , 若要控制合金质量在一定范围, 只需根据钢丝直径, 钢丝单位面积镀层质量, 即可得出所需取样长度, 从而达到控制合金质量的目的。

5、对于市场现行的镀层中10%Al3+含量的新型钢丝的探究:

假设控制合金质量为0.6±0.01g, 镀层中Al3+含量为设计值10%, 则根据以上公式V1、V2可推算出所需EDTA络合Zn2+、Al3+总消耗量约为26m L, 而市场上生产出的钢丝镀层Al3+含量的实际值≥10%。

举例:假设镀层中Al3+含量的实际值为18%, 合金质量为0.6g, 则EDTA总消耗量约为28m L, 而EDTA应适当过量, 显然30m L是不足量的, 故EDTA实际加入量应提升至35mL, 此EDTA用量也能够满足5%Al3+含量分析要求。

6、对改进方案的佐证:

分别取六种不同规格的钢丝做对比试验, 编号分别为 (1) , (2) , (3) , (4) , (5) , (6) , 其中 (1) , (2) , (3) 的镀层Al3+含量设计值为5%, 而 (4) , (5) , (6) 的镀层Al3+含量设计值为10%, 直径和单位面积镀层质量各不相同, 具体结果如表3, 4所示。

表3 钢丝镀层Al3+含量、合金质量和镀层质量

Al3+含量设计值:5%

表3 钢丝镀层Al3+含量、合金质量和镀层质量

表4 钢丝镀层Al3+含量、合金质量和镀层质量

Al3+含量设计值:10%

表4 钢丝镀层Al3+含量、合金质量和镀层质量

注:试验时可将样品截成若干段, 增大镀层与退镀液的接触面, 以达到镀层充分溶解的目的。

  由表3, 4可知, (1) , (2) , (3) , (4) , (5) , (6) 所需取样长度是不相同的, 但是合金质量都被控制在0.6000±0.0500g, , 加入的EDTA量均为35m L, 且实验现象明显无异常 (终点判断:橙红色变为紫红色) , 同时也证明了笔者先前的假设与猜想。

7、结论与展望:

  从本次对比实验结果来看, 对于同一种检测方法而言, 不同规格的钢丝制品, 其所需取样数量及试剂用量也是各不相同。现行标准GB/T 20492-2006《锌-5%铝-混合稀土合金镀层钢丝、钢绞线》, 只是相对于传统规格的格宾网而言的, 这与当时的科技发展程度以及人们对其认知的局限性是密不可分的。但是随着时代的不断发展, 工程质量也不断提高, 产品也随之更新换代, 此时, 如果仍然按照与传统产品相匹配的传统方法去分析样品, 显然是不合理的。在此, 为了更好的服务于社会与大众, 也为了保证试验结果的公正性与准确性, 则需要对GB/T20492-2006《锌-5%铝-混合稀土合金镀层钢丝、钢绞线》中的附录A进行修订。


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