刍议水泥混凝土原材料试验检测技术

刍议水泥混凝土原材料试验检测技术

殷益华

上海黄埔建设工程质量检测有限公司   上海  200011

摘要：在当前以钢-混结构为主流的建设工程领域，混凝土已然成为工程建设所需的主要材料之一，其原材料质量则是影响混合料性能及施工质量的关键因素。为满足工程项目施工质量管理要求，本文基于激光诱导击穿光谱法提出了一套完整的水泥混凝土原材料试验检测技术，详细阐述了激光诱导击穿光谱法系统的组成、检测参数设定方案，结合试验测试结果详细分析了该方法在水泥混凝土材料不同检测参数中的应用效果。研究结果证实，激光诱导击穿光谱法在水泥混凝土原材料检测中发挥着重要作用，值得推广。

关键词：激光诱导击穿光谱法；水泥混凝土材料；定量分析

前言：水泥混凝土是工程建设的主要材料，在我国建筑工程项目快速发展的大背景下，对混凝土原材料的性能提出了更高要求。为消除原材料因素对施工结果的影响，有关学者提出了X射线荧光分析法以及化学滴定法等，但是上述方法在应用中均存在一定的不足，如在微量重金属检测中存在敏感度偏低等[1]。为解决上述问题，则需要寻找一种科学有效的原材料试验检测技术，这是本文研究的主要目的。

1.水泥混凝土原材料试验检测技术

激光诱导击穿光谱法的核心是通过一束或多束高能量脉冲激光，经透镜聚焦至样本表面后，当激光能量超过材料激发阈值时出现膨胀与蒸发，此时激光聚焦区域上方附近将产生一团包括电子、原子、分子以及离子等微粒构成的高能气态物质，该物质在电离作用下通过相互碰撞等机制形成等离子体，被激发后处于高能级的原子与离子会从高能级向低能级以及基级跃迁，从而发射特征光谱，之后经过光纤耦合器吸收光谱数据并将结果反馈至探测器上，最终形成光谱数据[2]。

与传统的水泥混凝土原材料检测技术相比，激光诱导击穿光谱法具有过程简单、检测无损等优势，并且该技术能同时完成多种元素的检测要求。

2.激光诱导击穿光谱法的应用方案

2.1测量系统组成

利用激光诱导击穿光谱法检测水泥混凝土原材料性能参数时，所用设备主要包括：

（1）纳秒脉冲激光器。本次测试中采用可调Q的固体激光器，该装置能提供充足能量并有良好的稳定性，关键参数为：①输出脉宽为6-9ns；②波长类型分别为266nm、355nm、532nm；③重复频率1、2、5、10Hz。

（2）八通道光纤光谱仪。设备型号为2048-USB2，该装置内集成八个CCD探测器，并配备了光谱信号采集系统、光纤光栅等，可根据试验条件选择内触发或者外触发。

（3）数据采集与分析软件。本次试验中所使用的数据采集软件为Avasoft7.5，该软件具有高度敏感性，并且能剔除光谱背景噪声，并且所有采集的光谱数据均可按照数据处理要求采用“.trt”格式输出。数据分析软件为Plasus-SpecLine，支持试验数据的拟合以及相关运算过程，在试验数据处理中能自动寻找光谱峰值，同时也能提供功能强大的数据库，能详细记录试验数据变化过程，数据运算过程结果精准度更高。

（4）光电探测器与示波器。在激光诱导击穿光谱法检测中需要通过光电探测器等装置检测激光激发脉冲与光谱仪之间的时间顺序，其最终目的是消除数据处理中存在的抖动问题，进而提升全过程数据处理效果[3]。为满足上述要求，在本次研究中将采用104Xs型号示波器与200-UD高速光电探测器等装置完成触发信号的有效监控。

2.2检测参数的设定

在采用激光诱导击穿光谱法完成水泥混凝土原材料定量分析中，激光能量、积分延迟时间等关键数据都会影响最终测试结果，因此为保证试验结果精度，应做好试验检测参数设定方案。

2.2.1激光能量设定方案

在激光能量设定中考虑水泥样品中的金属元素特征光谱线会随着激光能量变化而出现改变，其中随着激光能量增加，其光谱信号逐渐增强。本次研究发现，当激光能量低于20mJ时，水泥混凝土原材料中的金属特征谱线强度偏低，无法满足本次检测要求；而当激光能量维持在30mJ~50mJ时，试验结果证实光谱信号的整体变化相对平滑，增速不明显。但当能量提升至60mJ时，特征线光谱强度整体呈现出明显跃升状态；而当能量超过60mJ后，则可发现K元素与Ca元素特征线谱信噪比明显下降。根据上述结果可以认为，在激光诱导击穿光谱法中理想的激光能量为60mJ。

2.2.2双脉冲间隔时间的设定

在激光诱导击穿光谱法中，设定激光能量为60mJ，采用DG645调节脉冲的时间间隔，以2us的延迟时间为间隔，通过高速光电探测器监测不同时间间隔方案对测试结果的影响。在本次测试参数选择上设定脉冲时间为4us~24us。

依照上述试验结果发现，当激光双脉冲检测时间处在4us~14us期间，Fe元素、Mg元素的增强效果一般，而K元素与Na元素的增强效果差，出现上述结果的原因可能是K、Na两种元素的能量级偏低。而当脉冲间隔时间提升至16us后，光谱信号明显增强，是传统单脉冲激发的4倍左右[4]。随着双脉冲间隔时间进一步增加，光谱信号呈现出缓慢增长趋势，但增长趋势不明显。因此基于该结果，认为在双脉冲间隔时间设定中可将理想时间间隔控制在16us左右。

3.激光诱导击穿光谱法的检测效果评价

3.1试验背景设定

在本次水泥混凝土原材料试验检测中，本文选择当地建材市场上4家混凝土供应商提供的P.042.5普通硅酸盐水泥为研究对象，并且为验证本次测试结果的精准度，所有混凝土原材料均经过所在地某分析测试中心检测，通过对比两种检测技术的数据差异来评估激光诱导击穿光谱法的优势，其中两种检测技术的误差越小，则证明本方法的精准度越高。

3.2混凝土样本处理方案

在混凝土样本处理中，材料的研磨均匀程度、湿度等都会对激光诱导击穿光谱法检测结果产生直接影响，因此保证样本处理结果数据精度，应制定严格的样本处理方法。因此在本次混凝土材料处理中，设定原材料研磨时长为120min，在保证原材料质地均匀且无明显团块等质量问题后，即可将其放置在70℃的恒温条件下连续烘干5h，确保能有效清除其中的水分。经烘干处理后将材料添加在机械压片机上，设定设备压力为40MPa并保持5min，将其压制成厚度约为2mm的混凝土材料标准检测样品。期间为避免因为原材料厚度、重量等因素影响检测结果，在本次试验中准备精度大于等于10-4的电子电平称取压片样品。

在试验检测结束后可计算不同检测项目的检出限，其计算方法如公式（1）所示。

   （1）

式中：表示样品检测结果的检出限；K表示一定置信水平的检测次数；M表示检测方案灵敏度；表示空白对象多次检测结果的标准差。

3.3激光诱导击穿光谱法在不同指标检测中的应用

3.3.1水泥混凝土原材料中的Mg定量分析

从混凝土材料性能角度来看，安定性成为影响水泥材料的关键，若材料中的Mg水平偏高则会极大影响水泥安定性，该问题会导致水泥强度下降并造成硬化开裂等严重问题，最终出现混凝土构件损伤等，严重影响建筑工程的耐久性和使用年限，因此需要寻找一种能快速检测Mg元素的检测技术。

在本次研究中采用激光诱导击穿光谱法检测四种混凝土样本的检测结果，最终对比数据如表1所示。

表1 水泥混凝土原材料中Mg的样品浓度（%）

根据表1所记录的相关数据发现，在混凝土材料Mg元素检测中，激光诱导击穿光谱法检测结果与实验室检测结果的数据差异不明显；基于表1的相关数据，按照公式（1）的计算方法确定检出限情况，四个混凝土样本的曲线线性度平均值为0.989，其最大误差为3.44%，平均误差为2.16%，其整体数据符合要求，表明该方法具有良好的检测效果。

3.3.2水泥混凝土材料中的Fe定量分析

在混凝土材料中，Fe元素具有催化水泥反应的作用，适宜的铁元素有助于加快混凝土材料硬化，并改善混凝土构件的耐久性与抗压强度。根据现有工程项目实际情况可知，混凝土材料中的铁元素含量应控制在0.1%～0.5%之间，若超过该标准则会影响混凝土材料使用年限。

为解决上述问题，本次研究中将对四种混凝材料中Fe元素展开检测，最终测试结果如表2所示。

表2 水泥混凝土原材料中Fe的样品浓度（%）

分析表2数据可知，在混凝土材料Fe元素检测中，激光诱导击穿光谱法的结果与实验室检测结果差异不明显。之后做样品检测结果检出限评价，相关数据研究显示该技术在Fe元素检测中的检出限为0.990，数据最大误差为4.62%，平均误差2.05%，表明该技术具有良好的检测精度。

结束语：在水泥混凝土原材料试验检测中激光诱导击穿光谱法具有广阔的应用前景，本文通过试验检测最终结果证明，该技术能有效检测混凝土中的镁离子与铁离子含量，具有满意效果，具有推广价值。因此为有效消除混凝土材料的性能风险，相关人员应主动探索激光诱导击穿光谱法的应用路径，能根据材料性能指标完善检测方案，做好关键设备的参数设计，最终为全面提升检测结果数据精度奠定基础。

参考文献：

[1]宋鑫.公路工程水泥混凝土原材料的试验检测方法[J].江苏建材,2023,(05):30-31.

[2]黄光祥.公路工程水泥混凝土原材料的试验检测及质量控制[J].低碳世界,2023,13(07):163-165.

[3]魏晓荷.建筑工程水泥混凝土原材料试验检测及质量控制分析[J].中国建筑装饰装修,2023,(12):79-81.

[4]张晓永.基于住宅建筑工程水泥混凝土原材料的试验检测及质量控制研究[J].居舍,2023,(11):170-173.