丹江口大壩混凝土芯樣的微觀測(cè)試與分析

李 珍，肖 靚，汪在芹

丹江口大壩混凝土芯樣的微觀測(cè)試與分析

李 珍1，2，肖 靚1，汪在芹1，2

（1．長(zhǎng)江科學(xué)院材料與結(jié)構(gòu)研究所，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，武漢 430010）

丹江口大壩初期工程混凝土中含有一定量活性骨料——燧石，使得大壩混凝土存在堿骨料反應(yīng)發(fā)生的風(fēng)險(xiǎn)。為此，對(duì)大壩混凝土進(jìn)行了取芯研究，重點(diǎn)對(duì)原始芯樣與養(yǎng)護(hù)后芯樣采用掃描電鏡（SEM）、能譜儀（EDS）進(jìn)行了微觀測(cè)試與分析，以準(zhǔn)確判斷大壩混凝土堿骨料反應(yīng)發(fā)生情況。分析結(jié)果表明：由于建設(shè)初期采取的措施得當(dāng)，運(yùn)行40余年的大壩混凝土沒(méi)有任何堿骨料反應(yīng)發(fā)生；但是當(dāng)混凝土芯樣在一定的養(yǎng)護(hù)條件下，即同時(shí)具有活性骨料、堿和水3個(gè)必要條件時(shí)，仍會(huì)發(fā)生顯著的堿骨料反應(yīng)。由此得出：為了保證含有堿活性骨料的大壩混凝土能夠長(zhǎng)期安全運(yùn)行，加高工程混凝土除采取適當(dāng)?shù)囊种拼胧┮酝?，還應(yīng)該加強(qiáng)整個(gè)大壩的防滲保護(hù)。

大壩安全；堿活性；堿骨料反應(yīng)（AAR）；微觀測(cè)試

1 概 述

丹江口大壩位于中國(guó)湖北省丹江口市，壩長(zhǎng)2．5 km，最大壩高97 m。該壩已歷經(jīng)40余年，大壩整體運(yùn)行完好。

在大壩初期建設(shè)過(guò)程中，長(zhǎng)江科學(xué)院曾派員前往現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行大量的取樣和試驗(yàn)工作［1］。試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，采集到的砂和各級(jí)礫石中均含有活性骨料——燧石。由于采取的措施得當(dāng)，在歷經(jīng)40余年后，在大壩上沒(méi)有發(fā)現(xiàn)任何堿骨料反應(yīng)破壞的痕跡。

針對(duì)大壩混凝土中所含骨料的堿活性［2］，為確保大壩能夠繼續(xù)長(zhǎng)期安全運(yùn)行，我們對(duì)大壩混凝土芯樣進(jìn)行了一系列研究：測(cè)試混凝土芯樣的力學(xué)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(hù)后，驗(yàn)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）。

2 大壩混凝土骨料及其堿活性情況

上世紀(jì)60年代初，為了大壩建設(shè)的順利進(jìn)行，長(zhǎng)江科學(xué)院針對(duì)丹江口大壩混凝土骨料的堿活性進(jìn)行了深入細(xì)致的研究［1］。

2．1 骨料組成

對(duì)從料場(chǎng)取回的骨料樣品采用巖相法檢驗(yàn)，通過(guò)薄片偏光顯微鑒定及肉眼對(duì)其進(jìn)行礦物分析，確定了大壩混凝土骨料組成，主要結(jié)果見(jiàn)表1和表2。

根據(jù)巖相分析的結(jié)果可以知道，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(huì)引起大壩混凝土的堿性膨脹。

表1 丹江卵石巖石成分鑒定（質(zhì)量分?jǐn)?shù)W，肉眼鑒定）Table 1 Identification of Danjiang pebble rock com ponents（mass fraction，visual identification）%

表2 丹江細(xì)骨料礦物成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)W，肉眼鑒定）Table 2 M ineral Com ponents of Danjiang fine aggregates（mass fraction，visual identification）%

2．2 活性骨料基本情況

2．2．1 巖相分析

從外觀上看來(lái)，丹江口骨料中的活性成分燧石分為灰白色、蠟黃色和黑色3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(shí)還含有蛋白石（多的可達(dá)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(guó)分布最為廣泛的活性骨料，具有潛在反應(yīng)危害。

2．2．2 化學(xué)法檢驗(yàn)

按照ASTM C289化學(xué)法標(biāo)準(zhǔn)對(duì)丹江口燧石進(jìn)行堿活性試驗(yàn)，結(jié)果如表3。

表3 燧石的化學(xué)法鑒定結(jié)果Table 3 Chem ical identification of flints

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

2．3 建設(shè)初期的骨料堿活性抑制措施

為了大壩的長(zhǎng)期安全運(yùn)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(guò)1．0% Na2Oeq，且水泥中礦渣含量控制在（40±5）%的抑制措施。

3 丹江口大壩混凝土芯樣檢測(cè)

丹江口大壩自建成投入運(yùn)行至今已歷時(shí)40多年，大壩整體運(yùn)行良好。但是由于建設(shè)時(shí)期使用了含有活性的骨料，因此，對(duì)丹江口大壩混凝土狀況進(jìn)行分析研究，測(cè)試大壩老混凝土物理性能，檢驗(yàn)大壩混凝土活性骨料是否發(fā)生了反應(yīng)，具有實(shí)際的意義。

3．1 現(xiàn)場(chǎng)檢查

為了對(duì)丹江口大壩混凝土是否有堿骨料反應(yīng)發(fā)生的跡象進(jìn)行判斷，對(duì)丹江口大壩壩體及廊道上出現(xiàn)的裂縫進(jìn)行了細(xì)致的現(xiàn)場(chǎng)檢查。從現(xiàn)場(chǎng)的裂縫檢查中可以看出，從整體上來(lái)看，經(jīng)過(guò)多年的運(yùn)行，丹江口大壩上出現(xiàn)了很多裂縫，總數(shù)達(dá)2 000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(chǎng)并沒(méi)有發(fā)現(xiàn)與堿-骨料反應(yīng)有關(guān)的裂縫，也沒(méi)有發(fā)現(xiàn)堿骨料反應(yīng)的現(xiàn)場(chǎng)典型特征。

3．2 取芯情況及芯樣外觀質(zhì)量

3．2．1 取芯情況

本文抽查和檢驗(yàn)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壩段下游面及31壩段廠房平臺(tái)、32壩段基礎(chǔ)廊道，9壩段、18壩段、22壩段、28壩段的壩頂。

3．2．2 芯樣外觀質(zhì)量

從現(xiàn)場(chǎng)上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(jìn)取芯過(guò)程中有脫落。但總的說(shuō)來(lái)，芯樣表面未發(fā)現(xiàn)有裂紋，混凝土芯樣致密。

3．3 芯樣物理性能檢測(cè)

混凝土芯樣的力學(xué)性能參數(shù)試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果見(jiàn)表4和表5。

表4 混凝土芯樣強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果統(tǒng)計(jì)分析Tab le 4 Analysis of the strength test result of concrete core samples

表5 混凝土芯樣彈模試驗(yàn)結(jié)果統(tǒng)計(jì)分析Table 5 Analysis of the elasticmodulus test result of concrete core samples

根據(jù)1959年丹江口水利樞紐工程大壩混凝土強(qiáng)度試驗(yàn)的原始資料，設(shè)計(jì)標(biāo)號(hào)R28200的混凝土90d抗壓強(qiáng)度為21．3 MPa（濕篩）、20．6 MPa（不濕篩），90 d劈拉強(qiáng)度為1．59 MPa（濕篩）、1．29 MPa（不濕篩），28 d抗壓彈性模量為28．9 GPa；設(shè)計(jì)標(biāo)號(hào)R28150的混凝土90 d抗壓強(qiáng)度為19．0 MPa（濕篩）、17．0 MPa（不濕篩），90 d劈拉強(qiáng)度為1．23 MPa（濕篩）、1．02 MPa（不濕篩），28，90 d抗壓彈性模量分別為25．1，28．3 GPa。由此可見(jiàn)，歷經(jīng)40余年，大壩混凝土的抗壓強(qiáng)度、劈拉強(qiáng)度和彈性模量等性能均隨齡期增長(zhǎng)而繼續(xù)發(fā)展，物理性能良好。

3．4 原始芯樣微觀測(cè)試與分析

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

3．4．1 測(cè)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(tái)上，在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。

3．4．2 測(cè)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(méi)有觀察到有微細(xì)裂縫產(chǎn)生（見(jiàn)圖1）。

對(duì)骨料界面上的物質(zhì)進(jìn)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(cè)到有堿－硅反應(yīng)的產(chǎn)物。

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

3．5 養(yǎng)護(hù)后的芯樣微觀測(cè)試與分析

將原始芯樣放入38℃，R．H．100%養(yǎng)護(hù)室進(jìn)行養(yǎng)護(hù)。在養(yǎng)護(hù)的過(guò)程中，有一種白色物質(zhì)出現(xiàn)，該物質(zhì)有增加的趨勢(shì)，并隨時(shí)間增長(zhǎng)逐漸趨于明顯（見(jiàn)圖2）。

為了研究其組成成分，在養(yǎng)護(hù)了6個(gè)月后，對(duì)其進(jìn)行掃描電鏡微觀測(cè)試與分析。

圖2 芯樣表面的白色產(chǎn)物Fig．2 Whitematerials on the surface of concrete core sam ple

將白色的物質(zhì)輕輕刮下，制備成標(biāo)準(zhǔn)樣品放入到掃描電鏡進(jìn)行分析。結(jié)果見(jiàn)圖3。

圖3 白色粉末的EDS分析結(jié)果Fig．3 Results of EDS analysis of the white powder

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。

由此可見(jiàn)，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(hù)條件下，混凝土仍可發(fā)生堿骨料反應(yīng)。通過(guò)微觀測(cè)試結(jié)果，這種反應(yīng)發(fā)生的原因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(xì)孔隙及固有裂縫內(nèi)移動(dòng)創(chuàng)造了條件，當(dāng)堿離子移動(dòng)并富集到活性骨料的內(nèi)外部時(shí)，就造成了反應(yīng)的發(fā)生。但由于丹江口大壩在建設(shè)時(shí)期采取了抑制措施，嚴(yán)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。

4 結(jié) 語(yǔ)

丹江口大壩初期工程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(cè)表明，由于建設(shè)初期采取的措施得當(dāng)，雖歷經(jīng)40余年，大壩混凝土運(yùn)行良好，未發(fā)生堿骨料反應(yīng)。

掃描電鏡微觀測(cè)試與分析表明，雖然大壩混凝土安全運(yùn)行40余年，但是其混凝土芯樣在同時(shí)具有堿骨料反應(yīng)的3個(gè)條件，即：活性骨料、堿和水，仍會(huì)發(fā)生顯著的堿骨料反應(yīng)。

丹江口大壩混凝土芯樣測(cè)試分析結(jié)果表明：對(duì)于類似的含有堿活性骨料的大壩混凝土，需采取適當(dāng)?shù)膲A骨料反應(yīng)抑制措施來(lái)確保大壩的長(zhǎng)期安全運(yùn)行，如采用低堿水泥，摻適量的礦物摻合料等；同時(shí)對(duì)于存在發(fā)生堿骨料反應(yīng)風(fēng)險(xiǎn)的大壩應(yīng)在后期加強(qiáng)防滲保護(hù)。

［1］ 長(zhǎng)江科學(xué)院．丹江口大壩建筑混凝土材料性能報(bào)告［R］．武漢：長(zhǎng)江科學(xué)院，1961．（Yangtze River Scien-tific Research Institute．Performance of Concrete Materi-als in Danjiangkou Dam Construction［R］．Wuhan：Yan-gtze River Scientific Research Institute，1961．（in Chi-nese））

［2］ 劉崇熙，文梓蕓．混凝土堿-骨料反應(yīng)［M］．廣州：華南理工大學(xué)出版社，1995．（LIU Chong-xi，WEN Zi-yun．Reaction of Concrete Alkali-Aggregate［M］．Guangzhou：South China University of Technology Press，1995．（in Chinese） ）

（編輯：周曉雁）

M icroscopic Tests and Analysis on Concrete Core Sam p les from Danjiangkou Dam

LIZhen1，2，XIAO Liang1，WANG Zai-qin1，2
（1．Changjiang River Scientific Research Institute，Wuhan 430010，China；2．Center on Water Engineering Safety and Disaster Prevention of the Ministry ofWater Resources，Wuhan 430010，China）

During the initial construction stage of Danjiangkou Dam，a certain number of reactive aggregates（flints）were found in the concrete and hence posed potential risks caused by possible Alkali-Aggregate Reaction（AAR）．In this paper，microscopic tests on the original core samples and cured core samples are carried out to judge the status of AAR accurately．The testmethods include Scanning Electron Microscope Analysis（SEMA）and Energy Dispersive Spectrometry Analysis（EDSA）．The analysis results show that AAR deterioration hasn’t been found since 40 years of dam operation due to proper preventivemeasures．Nonetheless，AAR is still likely to occur if three indispensable elements exist，namely certain number of reactive aggregates，available alkalis，and water．It is concluded that besides taking proper controlmeasures to the concrete of heightened part，the impermeability of the whole dam should be enhanced for long-term durability and safety of the dam containing alkali reactive aggre-gates．

dam safety；alkali reactivity；Alkali-Aggregate Reaction（AAR）；microscopic test

TV698．2

A

1001－5485（2011）05－0059－04

2010-07-06

水利部公益性行業(yè)專項(xiàng)項(xiàng)目（200801057）

李 珍（1972-），女，湖南省湘鄉(xiāng)市人，高級(jí)工程師，主要從事混凝土堿骨料反應(yīng)及水工新材料研究，（電話）027-82829881（電子信箱）lizhen＠m(xù)ail．crsri．cn。