丹江口大壩混凝土芯樣的微觀測試與分析

李 珍，肖 靚，汪在芹

丹江口大壩混凝土芯樣的微觀測試與分析

李 珍1，2，肖 靚1，汪在芹1，2

（1．長江科學院材料與結構研究所，武漢 430010；2．水利部水工程安全與病害防治工程技術研究中心，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發生的風險。為此，對大壩混凝土進行了取芯研究，重點對原始芯樣與養護后芯樣采用掃描電鏡（SEM）、能譜儀（EDS）進行了微觀測試與分析，以準確判斷大壩混凝土堿骨料反應發生情況。分析結果表明：由于建設初期采取的措施得當，運行40余年的大壩混凝土沒有任何堿骨料反應發生；但是當混凝土芯樣在一定的養護條件下，即同時具有活性骨料、堿和水3個必要條件時，仍會發生顯著的堿骨料反應。由此得出：為了保證含有堿活性骨料的大壩混凝土能夠長期安全運行，加高工程混凝土除采取適當的抑制措施以外，還應該加強整個大壩的防滲保護。

大壩安全；堿活性；堿骨料反應（AAR）；微觀測試

1 概 述

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

在大壩初期建設過程中，長江科學院曾派員前往現場進行大量的取樣和試驗工作［1］。試驗結果發現，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40余年后，在大壩上沒有發現任何堿骨料反應破壞的痕跡。

針對大壩混凝土中所含骨料的堿活性［2］，為確保大壩能夠繼續長期安全運行，我們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的發生；將芯樣試件置于一定條件養護后，驗證其是否發生堿骨料反應。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60年代初，為了大壩建設的順利進行，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］。

2．1 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，主要結果見表1和表2。

根據巖相分析的結果可以知道，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（質量分數W，肉眼鑒定）Table 1 Identification of Danjiang pebble rock com ponents（mass fraction，visual identification）%

表2 丹江細骨料礦物成分（質量分數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，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。巖相分析結果顯示：灰白色和蠟黃色的燧石為玉髓質燧石，玉髓含量在90%以上，有時還含有蛋白石（多的可達10%以上），雜質含量很少，這種燧石孔隙比較發育。黑色的燧石為石英－玉髓質燧石，一般具有貝狀斷口，含碳酸鈣、石英等雜質較多，質地致密。燧石是在我國分布最為廣泛的活性骨料，具有潛在反應危害。

2．2．2 化學法檢驗

按照ASTM C289化學法標準對丹江口燧石進行堿活性試驗，結果如表3。

表3 燧石的化學法鑒定結果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。

3 丹江口大壩混凝土芯樣檢測

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。但是由于建設時期使用了含有活性的骨料，因此，對丹江口大壩混凝土狀況進行分析研究，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生了反應，具有實際的意義。

3．1 現場檢查

為了對丹江口大壩混凝土是否有堿骨料反應發生的跡象進行判斷，對丹江口大壩壩體及廊道上出現的裂縫進行了細致的現場檢查。從現場的裂縫檢查中可以看出，從整體上來看，經過多年的運行，丹江口大壩上出現了很多裂縫，總數達2 000多條。

但是，調查結果顯示，這些裂縫基本上是由于結構和溫度引起的裂縫。在現場并沒有發現與堿-骨料反應有關的裂縫，也沒有發現堿骨料反應的現場典型特征。

3．2 取芯情況及芯樣外觀質量

3．2．1 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，21壩段下游面、22壩段下游面及31壩段廠房平臺、32壩段基礎廊道，9壩段、18壩段、22壩段、28壩段的壩頂。

3．2．2 芯樣外觀質量

從現場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，芯樣表面未發現有裂紋，混凝土芯樣致密。

3．3 芯樣物理性能檢測

混凝土芯樣的力學性能參數試驗統計分析結果見表4和表5。

表4 混凝土芯樣強度試驗結果統計分析Tab le 4 Analysis of the strength test result of concrete core samples

表5 混凝土芯樣彈模試驗結果統計分析Table 5 Analysis of the elasticmodulus test result of concrete core samples

根據1959年丹江口水利樞紐工程大壩混凝土強度試驗的原始資料，設計標號R28200的混凝土90d抗壓強度為21．3 MPa（濕篩）、20．6 MPa（不濕篩），90 d劈拉強度為1．59 MPa（濕篩）、1．29 MPa（不濕篩），28 d抗壓彈性模量為28．9 GPa；設計標號R28150的混凝土90 d抗壓強度為19．0 MPa（濕篩）、17．0 MPa（不濕篩），90 d劈拉強度為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，歷經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發展，物理性能良好。

3．4 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生了堿骨料反應，本文應用掃描電鏡對其進行微觀測試與分析。

3．4．1 測試方法

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

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

3．4．2 測試結果與分析

SEM結果顯示：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生（見圖1）。

對骨料界面上的物質進行EDS能譜分析，該物質主要由O，Si，Ca，Al，C等元素構成，還含有少量的Fe，Na，Mg，K等元素，未觀測到有堿－硅反應的產物。

由此判定，安全運行40余年后，丹江口大壩混凝土中未發生堿骨料反應。

3．5 養護后的芯樣微觀測試與分析

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

為了研究其組成成分，在養護了6個月后，對其進行掃描電鏡微觀測試與分析。

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

將白色的物質輕輕刮下，制備成標準樣品放入到掃描電鏡進行分析。結果見圖3。

圖3 白色粉末的EDS分析結果Fig．3 Results of EDS analysis of the white powder

EDSA的結果顯示，該物質中主要由Na，K，O，Si等元素組成，可判斷其應為堿-硅酸反應產物Na2SiO3和K2SiO3。

由此可見，雖然丹江口大壩混凝土歷經40余年并未有堿骨料反應跡象產生，但是在一定的養護條件下，混凝土仍可發生堿骨料反應。通過微觀測試結果，這種反應發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孔隙及固有裂縫內移動創造了條件，當堿離子移動并富集到活性骨料的內外部時，就造成了反應的發生。但由于丹江口大壩在建設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這樣的反應以及由此產生的破壞。

4 結 語

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量及物理性能檢測表明，由于建設初期采取的措施得當，雖歷經40余年，大壩混凝土運行良好，未發生堿骨料反應。

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，但是其混凝土芯樣在同時具有堿骨料反應的3個條件，即：活性骨料、堿和水，仍會發生顯著的堿骨料反應。

丹江口大壩混凝土芯樣測試分析結果表明：對于類似的含有堿活性骨料的大壩混凝土，需采取適當的堿骨料反應抑制措施來確保大壩的長期安全運行，如采用低堿水泥，摻適量的礦物摻合料等；同時對于存在發生堿骨料反應風險的大壩應在后期加強防滲保護。

［1］ 長江科學院．丹江口大壩建筑混凝土材料性能報告［R］．武漢：長江科學院，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［M］．廣州：華南理工大學出版社，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

水利部公益性行業專項項目（200801057）

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