李珍 肖靚 章瑞文

（1.長江水利委員會長江科學(xué)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(xué)院曾派人前往現(xiàn)場進(jìn)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(dāng)，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(jìn)行了一系列研究：測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(jì)60年代初，為了大壩建設(shè)的順利進(jìn)行，長江科學(xué)院針對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.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(jìn)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(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(xì)骨料礦物成分（Wt%，肉眼鑒定）

表3 燧石的化學(xué)法鑒定結(jié)果

（2）化學(xué)法試驗

按照ASTM C289化學(xué)法標(biāo)準(zhǔn)對丹江口燧石進(jìn)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(jìn)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(jìn)行判斷，對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(dá)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(jìn)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(xué)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(biāo)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(biāo)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(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)，用掃描電鏡對其進(jìn)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(xì)裂縫產(chǎn)生，如圖1。

對骨料界面上的物質(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(jìn)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(jìn)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(biāo)準(zhǔn)樣品放入到掃描電鏡進(jìn)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(xì)孔隙及固有裂縫內(nèi)移動創(chuàng)造了條件，當(dāng)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(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。

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(dāng)，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(dāng)?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(xué)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(xué)院,1961.