丹江口大坝混凝土芯样的微观测试与分析.pdf

第2 8 卷 第5期 2 0 l 1年 5月 长江科学 院 院报 J o u r n a l o f Y a n g t z e R i v e r S c i e n t i f i c Re s e a r c h I n s ti t u t e Vo 1 2 8 No 5 Ma y 2 0 1 1 文章编号： 1 0 0 1 5 4 8 5 ( 2 0 1 1 ) 0 50 0 5 9 0 4 丹江 口大坝混凝土芯样的微观测试与分析 李珍 。 ， 肖靓 ， 汪在芹 ( 1 长江科学院 材料与结构研究所 ， 武汉4 3 0 0 1 0 ； 2 水利部水工程安全与病害防治工程技术研究中心，武汉4 3 0 0 1 0 ) 摘要 ： 丹江口大坝初期工程混凝土中含有一定量活性骨料燧石 ， 使得大坝混凝土存在碱骨料反应发生的风险。 为此 ， 对大坝混凝土进行了取芯研究， 重点对原始芯样与养护后芯样采用扫描电镜( S E M) 、 能谱仪( E D S ) 进行了微 观测试与分析， 以准确判断大坝混凝土碱骨料反应发生情况。分析结果表明： 由于建设初期采取的措施得当， 运行 4 O余年的大坝混凝土没有任何碱骨料反应发生 ； 但是当混凝土芯样在一定的养护条件下， 即同时具有活性骨料、 碱 和水 3个必要条件时， 仍会发生显著的碱骨料反应。由此得出： 为了保证含有碱活性骨料 的大坝混凝土能够长期 安全运行 ， 加高工程混凝土除采取适当的抑制措施以外， 还应该加强整个大坝的防渗保护。 关键词： 大坝安全； 碱活性； 碱骨料反应( A A R) ； 微观测试 中图分类号： T V 6 9 8 2 文献标识码 ： A 1 概述 丹江口大坝位于中国湖北省丹江 口市， 坝长 2 5 k m， 最大坝高9 7 m 。该坝已历经 4 0余年， 大坝 整体运行完好 。 在大坝初期建设过程 中， 长江科学院曾派员前 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4 0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 J ， 为确 保大坝能够继续长期安全运行 ， 我们对大坝混凝 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( S E MA) 和 能谱分析( E D S A ) 。 2 大坝混凝土骨料及其碱活性情况 上世纪6 0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 行了深人细致的研究 。 2 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可 以知道 ， 丹江 口混凝 土 骨料 中含有1 5 5 一2 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。 表 1 丹江卵石岩石成分鉴定( 质量分数 w。 肉眼鉴定 ) T a b l e 1 I d e n t i f i c a t i o n o f Oa n j l a n g p e b b l e r o c k c o mp o n e n t s( ma s s f r a c t i o n ， v i s u a l i d e n t i f i c a ti o n ) 收稿 日期 ： 2 0 1 0 0 7 0 6 基金项 目： 水利部公益性行业专项项 目( 2 0 0 8 0 1 0 5 7 ) 作者简介 ： 李珍 ( 1 9 7 2 - ) ， 女 ， 湖南省湘乡市人 ， 高级工程师 ， 主要从事混凝土碱骨料反应及水工新材料研究 ， ( 电话 ) 0 2 7 8 2 8 2 9 8 8 1( 电子 信箱) l i z h e n m a i l e r s r i c n 。 长江科学院院报 2 0 1 1年 2 2 活性骨料基本情况 2 2 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 3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 9 0 以上 ， 有时还含有蛋 白石 ( 多的可达 1 0 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 一玉髓质燧石 ， 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。 2 2 2 化学法检验 按照 A S T M C 2 8 9化学法标准对丹江 口燧石进 行碱活性试验 ， 结果如表 3 。 表 3 燧石的化学法鉴定结果 Ta b l e 3 Ch e mi c a l i d e n t i fi c a t i o n o f fl i n t s 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 。 2 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A A R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 N a 0 e q以下 ； ( 2 )矿渣大坝水泥安全含碱量不得超过1 0 N a O e q ， 且水泥 中矿渣含 量控制在 ( 4 05 ) 的抑 制措施 。 3丹江口大坝混凝土芯样检测 丹江 口大坝 自建成投入运行至今 已历时 4 O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状况进 行分析研究 ， 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。 3 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 2 0 0 0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一 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 。 3 2 取芯情况及芯样外观质量 3 2 1 取芯情况 本文抽查和检验的混凝土芯样主要取 自1 9坝 段 、 2 O坝段 、 2 1 坝段廊道内， 2 1 坝段下游面、 2 2坝段 下游面及 3 1坝段厂房平 台、 3 2坝段基础廊道 ， 9坝 段 、 1 8坝段 、 2 2坝段 、 2 8坝段的坝顶。 3 2 2 芯样外观质量 从现场上取回的大坝混凝 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 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 。 表 4混凝 土芯 样强度试验结 果统计 分析 Ta b l e 4 An a l y s i s o f t h e s t r e n g t h t e s t r e s u l t of c o nc r e t e c o r e s ampl es 表5 混凝土芯样弹模试验结果统计分析 Ta b l e5 An aly s i s o ft h e e l a s ti c mo d ulu s t est r e s ult o f c o n c r e t e c o r e s a m p l es 根据 1 9 5 9年丹江 口水利枢纽工程大坝混凝土 强度试验 的原始资料 ，设计标号 R 2 8 2 0 0的混凝土 9 0 d抗压强度 为2 1 3 MP a ( 湿 筛 ) 、 2 0 6 M P a ( 不湿 筛) ， 9 0 d劈 拉强 度 为1 5 9 MP a ( 湿筛 ) 、 1 2 9 MP a ( 不湿筛) ， 2 8 d抗压 弹性模 量为2 8 9 G P a ； 设计标 号 R 2 8 1 5 0的混凝土 9 0 d抗压强度 为1 9 0 MP a ( 湿 筛) 、 1 7 0 MV a ( 不湿筛) ， 9 0 d劈拉强度为1 2 3 MP a ( 湿筛) 、 1 0 2 M P a ( 不湿筛) ， 2 8 ， 9 0 d抗压弹性模量 分别为2 5 1 ， 2 8 3 G P a 。由此可见 ， 历经 4 0 余年， 大 坝混凝土的抗压强度、 劈拉强度和弹性模量等性能 第5期 李珍 等 丹江 口大坝混凝土芯样的微观测试与分析 6 l 均随龄期增长而继续发展 ， 物理性能 良好 。 3 4 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 ， 本文应用扫描电镜对其进行微观测试 与分析。 3 4 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 ， 在 J E O L J F C一 1 6 0 0 A u t o F i n e C o a t e r 抽真空， 然后喷镀铂金。 设备的操 作 ： 把制 备好 的样 品放人 扫描 电镜 ( J E O L J S M一6 6 1 0 L A) 的真空系统中， 设 置好加 速 电压、 射束电流以及工作距离。 3 4 2 测试结果与分析 S E M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( 见 图 1 ) 。 图 1 芯样 界面扫描电镜分析结果 Fi g 1 Re s ul t s o f SEM a na l y s i s of t he c o r e s a mpl e i nt e r f a c e 对骨料界面上的物质进行 E D S能谱分析 ， 该物 质主要 由 O， S i ， C a ， A 1 ， C等元素构成 ， 还含有少量 的 F e ， N a ， M g ， K等元素， 未观测到有碱 一 硅反应的 产物。 由此判定 ， 安全运行 4 0余年后 ， 丹江 口大坝混 凝土中未发生碱骨料反应 。 3 5 养护后的芯样微观测试与分析 将原始芯样放入 3 8 ， R H 1 0 0 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 ( 见 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 。 图 2 芯样表 面的 白色产物 Fi g 2 W h i t e ma t e r i a l s o n t h e s u r f a c e o f c on c r e t e c o r e s ampl e 将白色的物质轻轻刮下 ， 制备成标准样品放人 到扫描电镜进行分析。结果见图 3 。 f f l： 青 l I i ： 一 嗣 l l l l l I _二 0 L。 l I l l l l l i l l ； l l 口 l i _ l i 罾 t i l l i 图 3白色粉末的 W 1 ) S分析结果 F i g 3 Result s o f EDS a n a l y s i s o f t h e whit e p o wd e r E D S A的结果显示 ， 该物质 中主要 由 N a ， K， O， s i 等元素组成， 可判断其应为碱一 硅 酸反应产物 N a 2 S i O 3 和 K 2 S i O 3 。 由此可见， 虽然丹江口大坝混凝土历经 4 O 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， 这种反应发生的原因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 6 2 长 江科 学院 院报 2 O 1 1年 到活性骨料 的内外部 时， 就造成 了反应 的发生 。但 由于丹江 口大坝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。 4 结 语 丹江 1：3大坝初期工程混 凝土 中含有碱 活性骨 。大坝混凝土芯样外观质量及物理性能检测表 ，由于建设初期采取的措施得当 虽历经 4 0余年 ， 坝混凝 土运行 良好 ， 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 4 0余年 ， 但是其混凝土芯样在同时具有 碱骨料反应 的 3个条件 ， 即： 活性骨料 、 碱和水 ， 仍会 发生显著的碱骨料反应 。 丹江 口大坝混凝土芯样i 贝 0 试分 析结果表明 ： 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 ， 如采用低碱水泥 ， 掺适量 的矿物掺合料等 ； 同时 对于存在发生碱骨料反应风险的大坝应在后期加强 防渗保护。 参考文献 ： 1 长江科学院丹江口大坝建筑混凝土材料性能报告 R 武汉 ： 长江科学院，1 9 6 1 ( Y a n g t z e R i v e r S c i e n t i fi c Re s e a r c h I n s t i t u t e P e r f o r ma n c e o f C o n c r e t e Ma t e r i a l s i n D a n j i a n g k o u D a m C o n s t r u c t i o n R Wu h a n ： r a n g t z e R i v e r S c i e n t i f i c R e s e a r c h I n s t i t u t e ，1 9 6 1 ( i n C h i n e s e ) ) 2 刘崇熙， 文梓芸混凝土碱一 骨料反应 M 广州： 华南 理工 大学 出版 社 ， 1 9 9 5 ( L I U C h o n g x i ，WE N Z i y u n R e a c t i o n o f C o n c r e t e A l k a l i A g g r e g a t e M G u a n g z h o u ： S o u t h C h i n a U n i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y P r e s s ，1 9 9 5 ( i n C h i n e s e ) ) ( 编辑： 周晓雁) M i c r o s c o p i c Te s t s a nd An a l y s i s o n Co n c r e t e Co r e S a mpl e s f r o m Da n j i a n g k o u Da m LI Z he n 一 ，XI AO L i a ng ， ( 1 C h a n g j i a n g R i v e r S c i e n t i f i c R e s e a r c h I n s t i t u t e ， Wu h a n W ANG Z a i q i n ， 4 3 0 01 0，Ch i n a；2 Ce n t e r o n W a t e r En g i n e e ring S a f e t y a n d D i s a s t e r P r e v e n t i o n o f t h e Mi n i s t r y o f Wa t e r R e s o u r c e s ，Wu h a n 4 3 0 0 1 0 ， C h i n a ) A b s t r a c t ：D u ri n g t h e i n i t i a l c o n s t r u c t i o n s t a g e o f D a n j i a n g k o u D a m，a c e r t a i n n u m b e r o f r e a c t i v e a g g r e g a t e s ( fl i n t s )w e r e fou n d i n t h e c o n c r e t e a n d h e n c e p o s e d p o t e n t i a l ri s k s c a u s e d b y p o s s i b l e A l k al i A g g r e g a t e R e a c t i o n ( A A R) I n t h i s p a p e r ，mi c r o s c o p i c t e s t s o n t h e o ri g i n a l c o r e s a m p l e s a n d c u r e d c o r e s a m p l e s a r e c a r r i e d o u t t o j u d g e t h e s t a t u s o f A AR a c c u r a t e l y T h e t e s t m e t h o d s i n c l u d e S c a n n i n g E l e c t r o n M i c r o s c o p e A n al y s i s( S E MA)a n d E n e r g y D i s p e r s i v e S p e c t r o me t ry A n a l y s i s( E D S A) The a n a l y s i s r e s u l t s s h o w t h a t A AR d e t e ri o r a t i o n h a s n t b e e n f o un d s i nc e 4 0 y e a r s o f d a m o pe r a t i o n d ue t o p r o p e r p r e v e n t i v e me a s u r e s No n e t h e l e s s，AAR i s s t i l l l i ke l y t o o c c u r i f t h r e e i n d i s p e ns a b l e e l e me n t s e x i s t ，n a me l y c e rta i n n u mb e r o f r e a c t i v e a g g r e g a t e s ，a v a i l a b l e a l k a l i s，a n d wa t e r I t i s c o nc l u de d t h a t b e s i d e s t a k i n g p r o p e r c o n t r o l me a s u r e s t o t h e c o n c r e t e o f h e i g ht e n e d p a rt，t he i mp e r me a b i l i t y o f t he wh o l e d a m s h o u l d be e n h a n c e d f o r l o ng t e rm du r a b i l i t y a nd s a f e t y o f t h e da m c o n t a i n i n g a l k a l i r e a c t i v e a g gre g a t e s Ke y wo r d s ： d a m s af e t y ；a l k a l i r e a c t i v i t y ； A l k a l i - A g g r e g a t e R e a c t i o n( A A R) ；m i c r o s c o p i c t e s t 客 客 盎 客 套 客 客 盒 【 上 接 第 5 8页 J c o h e s i v e s t r e n g t h( C )I n t h i s s e n s e ， i t i s c ri t i c a l t o e n s u r e t h e q u a l i t y o f p o u ri n g o n t h e c o n t a c t s u r f a c e b e t w e e n c o n c r e t e a nd b e d r o c kS e c o n d l y，t h e s h e a r s t r e n g t h i s r e d u c e d s l i g h t l y b y t h e i mp a c t o f wa t e r ，whi c h i s q u i t e l i mi t e d；a n d t h e d e c r e a s e o f s h e a r s t r e n g t h u n de r hi g h wa t e r h e a d a n d l o n g t i me i mme r s i n g n e e ds t o b e s t u d i e d i n d e p t h Mo r e o v e r ，t h e s h e a r d e s t ruc t i o n o n t h e c o n t a c t s u rf a c e b e t we e n h i g h s t r e n gth c o n c r e t e a n d b e d r o c k h a s t h e c h a r a c t e ris t i c s o f t y p i c a l b rit t l e f r a c t ur e K e y wo r d s ： Y u z u i C h a n i a n g b ri d g e ；c o n t a c t s u rf a c e b e t w e e n c o n c r e t e a n d b e d r o c k ；s h e a r s t r e n g t h ； i n fl u e n c i n g f a c t o r 料 明 大