40年大坝混凝土芯样的微观测试与分析

40年大坝混凝土芯样的微观测试与分析
李珍;肖靓;章瑞文
【摘要】丹江口大坝位于湖北省.该坝已历经40余年,运行完好.在大坝建设初期,长江科学院曾派人前往现场进行大量的取样和试验工作.试验结果发现,采集到的砂和各级砾石中均含有活性骨料--燧石.由于采取的措施得当,在历经40余年后,在大坝上没有发现任何碱骨料反应破坏的痕迹.针对大坝混凝土中所含骨料的碱活性,进行了一系列研究:测试混凝土芯样的力学性能;检查是否有碱骨料反应的发生;将芯样试件置于一定条件养护后,验证其是否发生碱骨料反应.采取的微观分析手段为扫描电镜微观分析(SEMA)和能谱分析(EDSA).通过对混凝土芯样进行微观测试与分析,得出为了大坝的长期耐久性以及安全性,除采取初期措施以外,还应该加强大坝的抗渗性.
【期刊名称】《中国水能及电气化》
【年(卷),期】2010(000)005
【总页数】5页(P46-50)
【关键词】大坝安全;碱活性;碱骨料反应
【作者】李珍;肖靓;章瑞文
【作者单位】长江水利委员会长江科学院,湖北,武汉,430010;水利部水工程安全与病害防治工程技术研究中心,湖北,武汉,430010;国家大坝安全工程技术研究中心,湖北,武汉,430010;长江水利委员会长江科学院,湖北,武汉,430010;水利部水工程安全与病害防治工程技术研究中心,湖北,武汉,430010;国家大坝安全工程技术研究中心,湖北,武汉,430010;长江水利委员会长江科学院,湖北,武汉,430010;水利部水工程安
全与病害防治工程技术研究中心,湖北,武汉,430010;国家大坝安全工程技术研究中心,湖北,武汉,430010
【正文语种】中文
【中图分类】TV431
一、引言
丹江口大坝位于中国湖北省丹江口市，坝长2.5km，最大坝高97m。

该坝已历经40余年，大坝整体运行完好。

在大坝初期建设过程中，长江科学院曾派人前往现场进行大量的取样和试验工作。

试验结果发现，采集到的砂和各级砾石中均含有活性骨料－燧石。

由于采取的措施得当，在历经40余年后，在大坝上没有发现任何碱骨料反应破坏的痕迹。

针对大坝混凝土中所含骨料的碱活性，为确保大坝能够继续长期安全运行，对大坝混凝土芯样进行了一系列研究：测试混凝土芯样的力学性能；检查是否有碱骨料反应的发生；将芯样试件置于一定条件养护后，验证其是否发生碱骨料反应。

采取的微观分析手段为扫描电镜微观分析（SEMA）和能谱分析（EDSA）。

二、大坝混凝土中骨料及其碱活性情况
上世纪60年代初，为了大坝建设的顺利进行，长江科学院针对丹江口大坝混凝土骨料的碱活性进行了深入细致的研究。

1.骨料组成
对从料场取回的骨料样品采用岩相法检验，通过薄片偏光显微鉴定及肉眼对其进行矿物分析，确定了大坝混凝土骨料组成，主要结果见表1和表2。

根据岩相分析的结果，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岩石，可能会引起大坝混凝土的碱性膨胀。

2.活性骨料基本情况
（1）岩相分析
从外观上看来，丹江口骨料中的活性成分燧石分为灰白色、蜡黄色和黑色三种。

岩相分析结果显示：灰白色和蜡黄色的燧石为玉髓质燧石，玉髓含量在90%以上，有时还含有蛋白石（多的可达10%以上），杂质含量很少，这种燧石孔隙
比较发育。

黑色的燧石为石英－玉髓质燧石，一般具有贝状断口，含碳酸钙、石英等杂质较多，质地致密。

燧石是在我国分布最为广泛的活性骨料，具有潜在反应危害。

表1 丹江口大坝混凝土卵石岩石成分鉴定（Wt%，肉眼鉴定）燧石及玉髓20～40（mm） 34 26 144 1.8 1.8 2.8 2.4 4.7 4.7 3.1 1.5 2.8 5～20（mm） 34.9 19.8 26.6 2.7 0.8 2.9 3.0 2.1 — 3.0 1.55 2.65岩石成分粒径分级石英页岩砂岩正长石云母片岩辉长石及闪长石灰岩辉绿岩绿泥石片岩花岗岩粘土岩
表2 丹江口大坝混凝土细骨料矿物成分（Wt%，肉眼鉴定）岩石成分粒径分级石英钾长石酸性斜长石黑云母及白云母角闪石绿泥石页岩岩屑砂岩岩屑灰岩岩屑酸性火成岩岩屑燧石0.6～5（mm） 60 8 1 3 ＜1 2 20 5 ＜1 ＜1 ＜1＜0.6（mm）70 8 2 5 1 — 10 3 —— 1
表3 燧石的化学法鉴定结果编号颜色 Sc（m mol/L） Rc（m mol/L）活性评定丹1 灰白色或蜡黄色 776.0 116.3 活性丹2 灰白色或蜡黄色 844.0 104.2 活性丹4 灰白色或蜡黄色 793.2 116.9 活性丹5 黑色 86.8 35.5 活性
（2）化学法试验
按照ASTM C289化学法标准对丹江口燧石进行碱活性试验，结果见表3。

从表中可以看出，燧石都具有活性，黑色燧石活性相对较低，而较之黑色燧石，灰白色燧石和蜡黄色燧石活性较高。

（3）建设初期的骨料碱活性抑制措施
为了大坝的长期安全运行，采取了AAR抑制措施，具体措施如下：
① 丹江口大坝所选用的纯大坝水泥安全含碱量控制在0.6%Na2Oeq以下。

② 矿渣大坝水泥安全含碱量不得超过1.0%Na2Oeq，且水泥中矿渣含量控制在40%±5%的抑制措施。

三、40年后大坝混凝土取芯研究
丹江口大坝自建成投入运行至今已历时40多年，大坝整体运行良好。

但是由于建设时期使用了含有活性的骨料，因此，对丹江口大坝混凝土进行研究，测试大坝老混凝土物理性能，检验大坝混凝土活性骨料是否发生了反应，具有实际的意义。

1.现场检查
为了对丹江口大坝混凝土是否有碱骨料反应发生的迹象进行判断，对丹江口大坝坝体及廊道上出现的裂缝进行了细致的现场检查。

从现场的裂缝检查中可以看出，从整体上来看，经过多年的运行，丹江口大坝上出现了很多裂缝，总数达2000多条。

但是，调查结果显示，这些裂缝基本上是由于结构和温度引起的裂缝。

在现场并没有发现与碱骨料反应有关的裂缝，也没有发现碱骨料反应的现场典型特征。

2.取芯情况及芯样外观质量
（1）取芯情况
本文抽查和检验的混凝土芯样主要取自19坝段、20坝段、21坝段廊道内、21坝段下游面、22坝段下游面、31坝段厂房平台、32坝段基础廊道、9坝段、18坝段、22坝段、28坝段的坝顶。

（2）芯样外观质量
现场取回的大坝混凝土芯样，外观光滑，骨料分布均匀，骨料与水泥浆之间胶结较好。

部分芯样表面稍显粗糙，小颗粒骨料在钻进取芯过程中有脱落。

但总的说来，芯样表面未发现有裂纹，混凝土芯样致密。

（3）芯样物理性能检测
混凝土芯样的力学性能参数试验统计分析结果，见表4和表5。

根据1959年丹江口水利枢纽大坝混凝土强度试验的原始资料：设计标号R28200的混凝土90d抗压强度为 21.3MPa（湿筛）、20.6 MPa（不湿筛），90d劈拉
强度为1.59MPa（湿筛）、1.29MPa（不湿筛），28d抗压弹性模量为28.9GPa；设计标号R28150的混凝土90d抗压强度为19.0MPa（湿筛）、17.0 MPa（不
湿筛），90d劈拉强度为1.23MPa（湿筛）、1.02MPa（不湿筛），28d、90d
抗压弹性模量分别为25.1GPa、28.3GPa。

由此可见，历经40余年，大坝混凝土的抗压强度、劈拉强度和弹性模量等性能均随龄期增长而继续发展，物理性能良好。

表4 混凝土芯样强度试验结果统计分析试验项目高程范围（m）合格率（%）抗
压强度 80.20～101.00 82 48.0 5.3 26.8 95.1 101.00～161.10 67 73.4 23.7 39.0 100劈拉强度 99.10 1 —— 2.42 —101.00～161.10 31 3.8 1.53 2.57 —试件个数（个）最大值(MPa)最小值(MPa)平均值(MPa)
表5 混凝土芯样弹模试验结果统计分析试验项目高程范围（m）平均值（GPa）
弹性模量 80.20～101.00 19 57.9 7.5 33.9 101.00～161.10 12 54.1 37.9 43.4
试件个数（个）最大值（GPa）最小值（GPa）
3.原始芯样微观测试与分析
为了准确判断丹江口大坝混凝土中是否发生了碱骨料反应，用扫描电镜对其进行微观测试与分析。

（1）测试方法
样品的制备：把混凝土芯样加工至合适尺寸，用导电胶带粘贴到圆柱体载物台上，JEOL JFC-1600 Auto Fine Coater抽真空，然后喷镀铂金。

设备的操作：把制备好的样品放入扫描电镜（JEOL JSM-6610 LA）的真空系统中，设置好加速电压、射束电流以及工作距离。

（2）测试结果与分析
SEM结果显示：骨料界面清晰，骨料周围的砂浆致密，并没有观察到有微细裂缝产生，如图1。

对骨料界面上的物质进行EDS能谱分析，该物质主要由O、Si、Ca、Al、C等元素构成，还含有少量的Fe、Na、Mg、K等元素，未观测到碱－硅反应的产物。

由此判定，安全运行40余年后，丹江口大坝混凝土中未发生碱骨料反应。

图1 芯样界面扫面电镜分析结果（a，b）
（3）经养护后，芯样微观测试与分析
将原始芯样放入38℃，R.H.100%养护室进行养护。

在养护的过程中，有一种白色物质出现，该物质有增加的趋势，并随时间增长逐渐趋于明显，如图2。

为了研究其组成成分，在养护了6个月后，对其进行扫描电镜微观测试与分析。

将白色的物质轻轻刮下，制备成标准样品放入到扫描电镜进行分析。

结果如图3所示。

EDSA的结果显示，该物质中主要由Na、K、O、Si等元素组成，可判断其应为碱-硅酸反应产物Na2SiO3和 K2SiO3。

图2 芯样表面的白色物质
图3 白色粉末的EDS分析结果
由此可见，虽然丹江口大坝混凝土历经40余年，并未有碱骨料反应迹象产生，但是在一定的养护条件下，混凝土仍可发生碱骨料反应。

通过微观测试结果，发现这种反应发生的原因可能是足够量水分的存在。

水分的存在为碱离子在混凝土及骨料的微细孔隙及固有裂缝内移动创造了条件，当碱离子移动并富集到活性骨料的内外部时，就造成了反应的发生。

但是，由于在建设时期采取了抑制措施，严格地控制水泥的含碱量，所以在大坝混凝土中并未出现这样的反应以及由此产生的破坏。

四、结语
丹江口大坝混凝土中含有碱活性骨料。

大坝混凝土芯样外观质量及物理性能检测表
明，由于建设初期采取的措施得当，虽历经40余年，大坝混凝土运行良好，并未发生碱骨料反应。

扫描电镜微观测试与分析表明，虽然大坝混凝土安全运行40余年，但是其混凝土芯样只要满足了三个必要条件，即：适量的活性骨料、足够的碱、水，仍会发生显著的碱骨料反应。

丹江口大坝混凝土芯样检测实例表明，对于类似的含有碱活性骨料的大坝混凝土，需采取适当的碱骨料反应抑制措施来确保大坝的长期安全运行，比如采用低碱水泥；掺适量的矿渣，增强大坝的抗渗性。

【相关文献】
[1] 长江科学院材料所.丹江口大坝建筑混凝土材料性能报告[R].长江科学院,1961.。