40年大壩混凝土芯樣的微觀測試與分析

李珍 肖靚 章瑞文

（1.長江水利委員會長江科學院，湖北 武漢 430010；2.水利部水工程安全與病害防治工程技術(shù)研究中心，湖北 武漢 430010；3.國家大壩安全工程技術(shù)研究中心，湖北 武漢 430010）

一、引 言

丹江口大壩位于中國湖北省丹江口市，壩長2.5km，最大壩高97m。該壩已歷經(jīng)40余年，大壩整體運行完好。

在大壩初期建設(shè)過程中，長江科學院曾派人前往現(xiàn)場進行大量的取樣和試驗工作。試驗結(jié)果發(fā)現(xiàn)，采集到的砂和各級礫石中均含有活性骨料－燧石。由于采取的措施得當，在歷經(jīng)40余年后，在大壩上沒有發(fā)現(xiàn)任何堿骨料反應(yīng)破壞的痕跡。

針對大壩混凝土中所含骨料的堿活性，為確保大壩能夠繼續(xù)長期安全運行，對大壩混凝土芯樣進行了一系列研究：測試混凝土芯樣的力學性能；檢查是否有堿骨料反應(yīng)的發(fā)生；將芯樣試件置于一定條件養(yǎng)護后，驗證其是否發(fā)生堿骨料反應(yīng)。采取的微觀分析手段為掃描電鏡微觀分析（SEMA）和能譜分析（EDSA）。

二、大壩混凝土中骨料及其堿活性情況

上世紀60年代初，為了大壩建設(shè)的順利進行，長江科學院針對丹江口大壩混凝土骨料的堿活性進行了深入細致的研究。

1.骨料組成

對從料場取回的骨料樣品采用巖相法檢驗，通過薄片偏光顯微鑒定及肉眼對其進行礦物分析，確定了大壩混凝土骨料組成，主要結(jié)果見表1和表2。

根據(jù)巖相分析的結(jié)果，丹江口混凝土骨料中含有1.55%～2.8%的燧石及玉髓。燧石和玉髓是典型的活性巖石，可能會引起大壩混凝土的堿性膨脹。

2.活性骨料基本情況

（1）巖相分析

從外觀上看來，丹江口骨料中的活性成分燧石分為灰白色、蠟黃色和黑色三種。巖相分析結(jié)果顯示：灰白色和蠟黃色的燧石為玉髓質(zhì)燧石，玉髓含量在90%以上，有時還含有蛋白石（多的可達10%以上），雜質(zhì)含量很少，這種燧石孔隙

比較發(fā)育。黑色的燧石為石英－玉髓質(zhì)燧石，一般具有貝狀斷口，含碳酸鈣、石英等雜質(zhì)較多，質(zhì)地致密。燧石是在我國分布最為廣泛的活性骨料，具有潛在反應(yīng)危害。

表1 丹江口大壩混凝土卵石巖石成分鑒定（Wt%，肉眼鑒定）

表2 丹江口大壩混凝土細骨料礦物成分（Wt%，肉眼鑒定）

表3 燧石的化學法鑒定結(jié)果

（2）化學法試驗

按照ASTM C289化學法標準對丹江口燧石進行堿活性試驗，結(jié)果見表3。

從表中可以看出，燧石都具有活性，黑色燧石活性相對較低，而較之黑色燧石，灰白色燧石和蠟黃色燧石活性較高。

（3）建設(shè)初期的骨料堿活性抑制措施

為了大壩的長期安全運行，采取了AAR抑制措施，具體措施如下：

① 丹江口大壩所選用的純大壩水泥安全含堿量控制在0.6%Na2Oeq以下。

② 礦渣大壩水泥安全含堿量不得超過1.0%Na2Oeq，且水泥中礦渣含量控制在40%±5%的抑制措施。

三、40年后大壩混凝土取芯研究

丹江口大壩自建成投入運行至今已歷時40多年，大壩整體運行良好。但是由于建設(shè)時期使用了含有活性的骨料，因此，對丹江口大壩混凝土進行研究，測試大壩老混凝土物理性能，檢驗大壩混凝土活性骨料是否發(fā)生了反應(yīng)，具有實際的意義。

1.現(xiàn)場檢查

為了對丹江口大壩混凝土是否有堿骨料反應(yīng)發(fā)生的跡象進行判斷，對丹江口大壩壩體及廊道上出現(xiàn)的裂縫進行了細致的現(xiàn)場檢查。從現(xiàn)場的裂縫檢查中可以看出，從整體上來看，經(jīng)過多年的運行，丹江口大壩上出現(xiàn)了很多裂縫，總數(shù)達2000多條。但是，調(diào)查結(jié)果顯示，這些裂縫基本上是由于結(jié)構(gòu)和溫度引起的裂縫。在現(xiàn)場并沒有發(fā)現(xiàn)與堿骨料反應(yīng)有關(guān)的裂縫，也沒有發(fā)現(xiàn)堿骨料反應(yīng)的現(xiàn)場典型特征。

2.取芯情況及芯樣外觀質(zhì)量

（1）取芯情況

本文抽查和檢驗的混凝土芯樣主要取自19壩段、20壩段、21壩段廊道內(nèi)、21壩段下游面、22壩段下游面、31壩段廠房平臺、32壩段基礎(chǔ)廊道、9壩段、18壩段、22壩段、28壩段的壩頂。

（2）芯樣外觀質(zhì)量

現(xiàn)場取回的大壩混凝土芯樣，外觀光滑，骨料分布均勻，骨料與水泥漿之間膠結(jié)較好。部分芯樣表面稍顯粗糙，小顆粒骨料在鉆進取芯過程中有脫落。但總的說來，芯樣表面未發(fā)現(xiàn)有裂紋，混凝土芯樣致密。

（3）芯樣物理性能檢測

混凝土芯樣的力學性能參數(shù)試驗統(tǒng)計分析結(jié)果，見表4和表5。

根據(jù)1959年丹江口水利樞紐大壩混凝土強度試驗的原始資料：設(shè)計標號R28200的混凝土90d抗壓強度為 21.3MPa（濕篩）、20.6 MPa（不濕篩），90d劈拉強度為1.59MPa（濕篩）、1.29MPa（不濕篩），28d抗壓彈性模量為28.9GPa；設(shè)計標號R28150的混凝土90d抗壓強度為19.0MPa（濕篩）、17.0 MPa（不濕篩），90d劈拉強度為1.23MPa（濕篩）、1.02MPa（不濕篩），28d、90d抗壓彈性模量分別為25.1GPa、28.3GPa。由此可見，歷經(jīng)40余年，大壩混凝土的抗壓強度、劈拉強度和彈性模量等性能均隨齡期增長而繼續(xù)發(fā)展，物理性能良好。

表4 混凝土芯樣強度試驗結(jié)果統(tǒng)計分析

表5 混凝土芯樣彈模試驗結(jié)果統(tǒng)計分析

3.原始芯樣微觀測試與分析

為了準確判斷丹江口大壩混凝土中是否發(fā)生了堿骨料反應(yīng)，用掃描電鏡對其進行微觀測試與分析。

（1）測試方法

樣品的制備：把混凝土芯樣加工至合適尺寸，用導(dǎo)電膠帶粘貼到圓柱體載物臺上，JEOL JFC-1600 Auto Fine Coater抽真空，然后噴鍍鉑金。

設(shè)備的操作：把制備好的樣品放入掃描電鏡（JEOL JSM-6610 LA）的真空系統(tǒng)中，設(shè)置好加速電壓、射束電流以及工作距離。

（2）測試結(jié)果與分析

SEM結(jié)果顯示：骨料界面清晰，骨料周圍的砂漿致密，并沒有觀察到有微細裂縫產(chǎn)生，如圖1。

對骨料界面上的物質(zhì)進行EDS能譜分析，該物質(zhì)主要由O、Si、Ca、Al、C等元素構(gòu)成，還含有少量的Fe、Na、Mg、K等元素，未觀測到堿－硅反應(yīng)的產(chǎn)物。

由此判定，安全運行40余年后，丹江口大壩混凝土中未發(fā)生堿骨料反應(yīng)。

圖1 芯樣界面掃面電鏡分析結(jié)果（a，b）

（3）經(jīng)養(yǎng)護后，芯樣微觀測試與分析

將原始芯樣放入38℃，R.H.100%養(yǎng)護室進行養(yǎng)護。在養(yǎng)護的過程中，有一種白色物質(zhì)出現(xiàn)，該物質(zhì)有增加的趨勢，并隨時間增長逐漸趨于明顯，如圖2。

為了研究其組成成分，在養(yǎng)護了6個月后，對其進行掃描電鏡微觀測試與分析。

將白色的物質(zhì)輕輕刮下，制備成標準樣品放入到掃描電鏡進行分析。結(jié)果如圖3所示。

EDSA的結(jié)果顯示，該物質(zhì)中主要由Na、K、O、Si等元素組成，可判斷其應(yīng)為堿-硅酸反應(yīng)產(chǎn)物Na2SiO3和 K2SiO3。

圖2 芯樣表面的白色物質(zhì)

圖3 白色粉末的EDS分析結(jié)果

由此可見，雖然丹江口大壩混凝土歷經(jīng)40余年，并未有堿骨料反應(yīng)跡象產(chǎn)生，但是在一定的養(yǎng)護條件下，混凝土仍可發(fā)生堿骨料反應(yīng)。通過微觀測試結(jié)果，發(fā)現(xiàn)這種反應(yīng)發(fā)生的原因可能是足夠量水分的存在。水分的存在為堿離子在混凝土及骨料的微細孔隙及固有裂縫內(nèi)移動創(chuàng)造了條件，當堿離子移動并富集到活性骨料的內(nèi)外部時，就造成了反應(yīng)的發(fā)生。但是，由于在建設(shè)時期采取了抑制措施，嚴格地控制水泥的含堿量，所以在大壩混凝土中并未出現(xiàn)這樣的反應(yīng)以及由此產(chǎn)生的破壞。

四、結(jié) 語

丹江口大壩混凝土中含有堿活性骨料。大壩混凝土芯樣外觀質(zhì)量及物理性能檢測表明，由于建設(shè)初期采取的措施得當，雖歷經(jīng)40余年，大壩混凝土運行良好，并未發(fā)生堿骨料反應(yīng)。

掃描電鏡微觀測試與分析表明，雖然大壩混凝土安全運行40余年，但是其混凝土芯樣只要滿足了三個必要條件，即：適量的活性骨料、足夠的堿、水，仍會發(fā)生顯著的堿骨料反應(yīng)。

丹江口大壩混凝土芯樣檢測實例表明，對于類似的含有堿活性骨料的大壩混凝土，需采取適當?shù)膲A骨料反應(yīng)抑制措施來確保大壩的長期安全運行，比如采用低堿水泥；摻適量的礦渣，增強大壩的抗?jié)B性。

[1] 長江科學院材料所.丹江口大壩建筑混凝土材料性能報告[R].長江科學院,1961.