1、粉煤灰修筑高等级混凝土路面裂缝损伤特性数值模拟分析陈茂1，晏明友1，祝李京2（1.中建三局基础设施建设投资有限公司，湖北武汉 435000；2.武汉华中科大检测科技有限公司，湖北武汉 430074）在我国可持续发展战略之下，新能源材料的应用越来越广泛。建筑行业作为高能源消耗产业，需要大量使用水泥作为施工材料，这种材料虽然不会直接影响环境，但是大量使用仍旧会导致能源消耗水平上升，并且水泥熟料生产过程中会导致 CO2的排放。我国近年来工业水平快速上升，煤炭燃烧产生大量粉煤灰废料，这种废料会导致环境污染水平迅速上升，同时还会侵占大量土地资源，所以处理粉煤灰废料也是目前相关行业亟待解决的问题1-3。有
2、研究者发现：使用粉煤灰替代水泥建设公路、桥梁、建筑等，不但能够把水热化情况降低，同时还能提升混凝土结构的抗腐蚀性能，使混凝土的各项性能得到改善4。还有研究者经过显微镜观察发现：粉煤灰中的玻璃状珠体超过60%，表面光滑平圆，紧密没有缝隙；把粉煤灰掺和在混凝土中取代水泥，会出现明显减水反应，能够提升路用混凝土的流变性能与紧密性能5-6。但是粉煤灰的使用也会对路面的耐久性产生负面影响，例如路面裂缝的产生。基于此，近年来已经有很多学者对粉煤灰修筑道路路面裂缝损伤特性进行了深入的研究，但是，当前的研究缺乏对最优粉煤灰参数的讨论，例如粒径较小的超细粉煤灰是否能有效延长初裂时间和减小裂缝面积，粉煤灰占比为多
3、少时裂缝面积最小。本文使用数值模拟方法分析了粉煤灰混凝土路面的裂缝损伤特性，并结合实际情况提出了有效控制路面裂缝损伤的措施，可为粉煤灰混凝土路面的修筑、修复提供参考。1裂缝损伤特性数值模拟1.1应用注意事项近年来，混凝土制备经常选择粉煤灰作为掺和料。利用粉煤灰制备的混凝土不但成本较低，同时还具有摘要利用数值模拟方法分析粉煤灰修筑高等级混凝土路面裂缝损伤特性。制备粉煤灰质量分数分别为25%、35%、45%的试件 1、试件 2、试件 3，将 3 种试件的参数输入到 FLAC3D 软件开展数值模拟，计算裂缝损伤演化及变量，获得粉煤灰修筑高等级混凝土路面裂缝损伤特性。数值模拟结果显示：粒径较小的超细粉
4、煤灰能够延长初裂时间，产生的裂缝面积也更小，粉煤灰质量分数为 35%的试件 2 裂缝面积最小，初裂时间最长，经过冻融循环及干湿循环处理后裂缝损伤度较小，且应变较大情况下仍旧能够保持较小裂缝损伤度；试件 1 和试件 3 的裂缝面积较大，初裂时间较短，受到冻融循环与干湿循环影响时裂缝损伤度较高，说明受到荷载影响，出现严重裂缝损伤。关键词粉煤灰；高等级混凝土路面；裂缝损伤；数值模拟；FLAC3D 软件文章编号：1005-9598(2023)-05-0116-05中图分类号：TU528.01文献标识码：A收稿日期：2023-07-10基金项目：国家自然科学基金委员会面上项目（51778262）第一作者
5、：陈茂（1991），男，汉族，湖北武汉人，工程师，学士，2014 年本科毕业于华中科技大学工程力学专业，现从事土木工程检测工作，E-mail：；通讯作者：晏明友（1988），男，汉族，四川自贡人，工程师，学士，2012 年本科毕业于重庆大学岩土工程专业，现从事岩土工程方面工作，E-mail：。DOI：10.19889/ki.10059598.2023.05.027引用格式：陈茂，晏明友，祝李京.粉煤灰修筑高等级混凝土路面裂缝损伤特性数值模拟分析J.煤化工，2023，51（5）：116-120.第 51 卷第 5 期2023 年 10 月煤 化 工Coal Chemical IndustryVo
6、l.51No.5Oct.2023第 51 卷第 5 期网格划分定义材料参数定义边界条件模型达到平衡状态检查模型是否达到响应特性模型建立开始执行变更是开挖改变材料参数改变边界条件求解检查模型是否达到响应特性结束否否图 1数值模拟求解流程较强的力学强度及和易性，仅需要简单维护就能达到理想要求7。高等级混凝土路面建设过程中，粉煤灰的应用需注意以下事项：（1）粉煤灰中含有大量氧化钙，建造高等级的混凝土路面时，粉煤灰中的氧化钙质量分数需不超过10%，才能符合建造要求。由于含水的粉煤灰会导致混凝土搅拌不均出现结块的现象，所以建造过程中需要选择不含水分的干性粉煤灰8-9。（2）建造高等级混凝土路面选取普通水
7、泥时，要求粉煤灰的掺量不超过 30%。假如进一步升高粉煤灰的掺量，过量的粉煤灰不能和水泥水化后的氢氧化钙进一步反应，导致混凝土强度降低，无法满足高等级路面的需求。（3）高等级路面施工时，需依照设计要求确定水泥的用量以及水泥强度等级。根据通常的设计经验，1 m3的高等级路面所用混凝土中水泥的用量约为 350 kg，水灰比与水泥强度分别为 0.42 和 53.6 MPa。上述分析可以有效避免因错误选择粉煤灰的类型与掺量而导致的混凝土出现结块或强度降低等一系列失误10-12。1.2试件制备数值模拟分析之前，需要先制备试验试件，将试件各个参数输入到数值模拟软件之中，以便实现数值模拟计算。试件制备时需要
8、考虑高等级路面建设的需求，制备过程如下：使用 300 mm300 mm300 mm 大小的模具制备 3 个试件。试件制备的主要原料为水泥、粉煤灰、硫酸钠激发剂、减水剂（约占混凝土总质量的 0.2%）、粒径在 5.5 mm 至 12.5 mm 之间的砂石（作为粗骨料）、模数为 2.5 的河沙（作为细骨料），将以上材料全部置于搅拌机，充分搅拌后置于模具之中，抹平振荡以后静置养护，获得 3 个试验试件。3 个试件的不同材料配比见表 1，表 1 中的水胶比是指水和胶凝材料的质量比例，通常用来衡量混凝土中水的含量与胶凝材料总量之间的关系。试验过程中，还需要考虑粉煤灰的化学成分。选取某一地区燃煤厂生产的粉
9、煤灰样品进行成分分析，获得各个化学成分的含量数据见表 2。粉煤灰的化学成分中包含了大量的活性 SiO2及 Al2O3，在湿润的条件下，会与 Ca(OH)2等碱性物质进行化学反应，从而形成水化 CaSiO3、水化 CaO-Al2O3等胶凝物质，会使混凝土的抗侵蚀性能得到提升13。1.3数值模拟方法本文使用专门用于数值分析的 FLAC3D 差分软件实现粉煤灰修筑高等级混凝土路面裂缝损伤特性数值模拟分析。模型构建以及数值模拟的过程如下。（1）构建数值模拟模型为了获得粉煤灰修筑高等级混凝土路面裂缝损伤特性，针对所制备试件的各项参数开展数值模拟。将各个试件的参数输入到 FLAC3D 软件中，构建试件的数
10、值模拟模型，考虑到试件制备是依据质量混合比，所以，构建试件的数值模拟模型时使用体积比方式。模型构建时把各个组分质量与密度相除，获得试件的体积，根据计算得出的体积构建数值模拟的试件模型，利用该数值模拟软件初步分析试件的物理性能。为了便于控制模型土体的体积组成情况，划分模型单元时使用超细单元划分法，这种单元划分法专门针对几何形状较为复杂的土体，无论本文所研究的高等级混凝土路面处于何种环境，都能实现数值模拟。单元数量较大时，可以获得较高的计算精度，拖慢数值模拟的计算速度，但是单元数量达到一个固定值时，数值模拟计算精度不再受单元数量影响。实际使用FLAC3D软件分析粉煤灰混凝土路面裂缝损伤特性时，需要
11、考虑计算效率与计算精度之间的关系，网格划分后确定单元数与节点数，分别为 43 986 个和 47 767 个。（2）数值模拟求解FLAC3D 软件数值模拟计算粉煤灰混凝土路面裂缝损伤特性的求解流程见图 1。表 13 个试件的材料配比试件试件 1试件 2试件 3粉煤灰在混凝土中占比/%253545粉煤灰用量/kg768.331221.771804.09水泥用量/kg330270230粗骨料用量/kg107510751075细骨料用量/kg750750750水量/kg150150150水胶比0.40.40.4表 2粉煤灰组成及各成分占比（质量分数）单位：%SiO253.61Al2O327.45Fe
12、2O36.32CaO5.35MgO0.78Na2O1.73K2O1.43陈茂等：粉煤灰修筑高等级混凝土路面裂缝损伤特性数值模拟分析117-2023 年煤 化 工数值模拟过程中，先制定基本条件，布置网格划分、材料参数定义以及边界条件定义，求解计算粉煤灰修筑高等级混凝土路面裂缝损伤特性，之后执行开挖命令以及其他条件，最终完成裂缝损伤特性分析。（3）裂缝损伤演化及变量计算粉煤灰混凝土路面发生裂缝损伤以后，通过损伤变量表示发生损伤以后粉煤灰混凝土路面牵引力的衰减程度14。损伤变量在原始损伤发生之前的值为0，张开位移和单元牵引力之间呈现出明显弹性关系；出现损伤以后单元牵引力缩减至 0，损伤变量值为 1，
13、使用式（1）定义损伤变量和牵引力之间的关系：（1-D）ff=1（1）式中：f 表示牵引力，N；D 表示损伤变量；f 代表损伤未发生情况下的张开位移相同时所对应的牵引力，N。f的计算公式见式（2）：f=K啄（2）式中：K 代表黏结单元原始刚度，N/m；啄 表示张开位移，m。将公式（2）代入公式（1），可得损伤演化阶段单元的牵引力，见公式（3）：f=（1-D）K啄（3）因此，（1-D）K 可以看做是出现损伤时黏结单元的刚度。使用 FLAC3D 软件实现数值模拟时，应该预先在数值模拟的模型中模拟出裂缝损伤路径上的双线软化黏聚区，也就是需要设置一层黏结单元，使用 T表示单元厚度（单位：m），与张开位移
14、相对应的单元应变表示为 着，用式（4）表示路面损伤度（）：=（1-D）KT 着f（4）2数值模拟结果2.1粉煤灰粒径对高等级混凝土路面裂缝损伤特性影响不同粉煤灰粒径对于粉煤灰混凝土路面的裂缝损伤有不同的影响。为了探究粉煤灰在哪种粒径下更能优化其技术性能，选取 10 组不同粉煤灰粒径作为变量，设定对比试验，分别对比试件 1、试件 2、试件 3的初裂时间与裂缝面积。在 FLAC3D 软件中使用模型模拟不同粉煤灰粒径下的高等级混凝土路面裂缝损伤特性变化情况，模拟结果见表 3。由表 3 可知：粉煤灰的粒径越小，粉煤灰混凝土试件初次出现裂缝的时间越长，最终形成裂缝的面积也更小，说明粉煤灰的粒径大小会直接
15、影响粉煤灰混凝土的裂缝损伤演变特征。根据三组试件的对比可知：试件 2 的初裂时间更长，最终裂缝面积更小，说明35%粉煤灰掺量能够抑制粉煤灰混凝土路面出现裂缝损伤，且能够极大程度提升粉煤灰混凝土路面的使用寿命。按照粉煤灰的相关规定，粒径不足 10 滋m 的粉煤灰属于超细粉煤灰，由于粒径较小，具有较强的填充性，能够缩小水泥和粗骨料之间的空隙，使得其具有更强的密实性，可避免混凝土水分蒸发过快，防止混凝土过快收缩而出现大面积裂缝，所以粒径较小的粉煤灰裂缝面积更小。2.2不同损伤模式下试件裂缝损伤分析使用粉煤灰修筑的高等级混凝土路面，常年暴露在自然环境中，受到冻融循环与干湿循环的影响，路面出现裂缝损伤。
16、在路面损伤情况下（将此设定为约束条件）将 3 个试件做对比分析，分析结果更能说明适量粉煤灰掺量能够降低路面发生裂缝的概率。在FLAC3D 软件中，模拟冻融循环、干湿循环以及冻融、干湿综合循环之下，各个不同粉煤灰用量下，粉煤灰混凝土试件的裂缝损伤情况，数值模拟结果见图 2。由图 2 可以看出：粉煤灰掺量为 35%的试件 2 在冻融循环、干湿循环、冻融-干湿综合循环作用下，均保持较低裂缝损伤度，说明该种粉煤灰掺量下的高等级混凝土路面经过外部环境多次影响，出现裂缝损伤的概率较小。如果粉煤灰掺量较少或者粉煤灰掺量较多，都会导致高等级混凝土路面出现较严重的裂缝损伤，呈现出较为显著的裂缝损伤特性变化。2.
17、3粉煤灰混凝土裂缝损伤演化曲线车辆常年在粉煤灰修筑的高等级混凝土路面行驶，导致路面承受较大荷载，受这种荷载影响，混凝土路面极易发生较为严重的裂缝损伤；裂缝在混凝土路面内部结构变形和发展的过程中逐渐显现出来，并最表 3不同粉煤灰粒径下试件裂缝损伤特性粉煤灰粒径/滋m5101520253035404550试件 1初裂时间/min645.85632.19627.67615.32602.15597.93582.41576.28563.89554.32裂缝面积/mm2153.65164.92172.86184.92196.77201.36215.94224.17235.69241.62试件 2初裂时间/
18、min695.32691.24678.65662.43656.37640.98624.35608.61592.47586.71裂缝面积/mm2138.14140.67142.96144.75146.87148.30150.76152.38154.07146.76试件 3初裂时间/min535.75531.14521.76519.35502.95498.27490.71489.25482.59479.31裂缝面积/mm2148.96154.28160.19166.87172.04178.69184.31190.70196.83202.41118-第 51 卷第 5 期2004006008001.
19、501.251.000.750.500.250荫银绎绎绎绎绎绎绎绎绎荫荫荫荫荫荫荫荫银银银银银银银银冻融循环次数/次（a）冻融循环终在路面呈现，这种结构变形过程可以使用数值模拟获得。在数值模拟软件中，根据式（4）计算获得粉煤灰混凝土路面损伤度与试件应变（混凝土试件在施加荷载或受力情况下所发生的内部应变量）之间的关系。通过测量试件应变，可以了解混凝土材料在不同受力程度下的变形情况，从而评估其损伤程度，结果见图 3。由图 3 可知：粉煤灰的含量直接影响混凝土损伤度变化情况，粉煤灰掺量 35%的试件 2 的裂缝损伤度最低，说明适量使用粉煤灰能够保证混凝土不发生较为严重的裂缝损伤。随着试件应变值的增加
20、，各个试件的裂缝损伤度呈上升趋势，当经历一定程度的变形后，试件损伤度呈现出稳定状态。受到外部荷载影响，掺混粉煤灰的混凝土在内部发生裂缝，且该裂缝会扩展与贯通，这种裂缝扩展会沿着最小能量消耗路径变化，裂缝损伤情况逐渐累积，所以各个试件的损伤指数与试件应变关系曲线整体趋势较为平滑。3结论使用粉煤灰替代混凝土中的水泥修筑路面，一方面能够降低成本，另一方面还能提升环保效果，但是粉煤灰的用量和其他参数均会影响混凝土的使用效果，所以本文使用数值模拟方法对粉煤灰修筑高等级混凝土路面裂缝损伤特性进行了研究。研究表明：粉煤灰粒径较大情况下，会导致混凝土上的裂缝损伤面积增大，不利于混凝土路面的实际使用，所以粒径较
21、小的超细粉煤灰较为适合高等级混凝土路面的修筑；数值模拟发现：35%粉煤灰掺量的粉煤灰混凝土较为适合修筑高等级路面，这种路面发生裂缝损伤的情况较为适中，不会发生严重路面损伤。参考文献：1 和文超，薛静，王伟.含粉煤灰微珠混凝土的强度和徐变特性研究J.无机盐工业，2023，55（1）：124-128，158.2 王宗熙，姚占全，何梁，等.腐蚀介质下粉煤灰混凝土宏微观性能的时变损伤J.长江科学院院报，2021，38（8）：133-138.3 童小根，张凯峰，罗作球，等.复掺水化热抑制剂-粉煤灰对 C35 和 C60 膨胀混凝土收缩开裂的影响J.建筑结构，2022，52（S1）：1523-1528.4
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23、.400.300.200.10荫银绎绎绎绎绎绎绎绎绎荫荫荫荫荫荫荫荫银银银银银银银银干湿循环次数/次（b）干湿循环02004006008000.900.750.600.450.300.150荫银绎绎绎绎绎绎绎绎绎荫荫荫荫荫荫荫荫银银银银银银银银冻融-干湿循环次数/次（c）冻融-干湿循环荫试件 1绎试件 2银试件 3图 2不同损伤模式下试件裂缝损伤情况61218241.501.251.000.750.500.250荫银绎绎绎绎绎绎绎绎绎荫荫荫荫荫荫荫荫银银银银银银银银银试件 1绎试件 2荫试件 3图 3粉煤灰混凝土路面损伤度与试件应变之间关系陈茂等：粉煤灰修筑高等级混凝土路面裂缝损伤特性数值模拟
24、分析应变值119-2023 年煤 化 工煤化工 期刊是由赛鼎工程有限公司主办的工程技术类中国科技核心期刊。本刊正式投稿途径：通过官网（http:/）作者投稿系统及邮箱（ 和 ）投稿。近来发现不法分子假借本刊名义注册网站、征收稿件、收取作者费用。在此，编辑部严正声明：本刊从未与任何第三方投稿、组稿机构或平台合作；稿件录用与否，都不收取任何审稿费，凡收到“交纳初审费”通知的一律为假网站；稿件录用后，根据相关规定收取正常的版面费。望作者投稿时仔细甄别，切勿上当受骗。作者投稿后，可拨打电话：0351-2179582/2179579，咨询稿件相关事宜。煤化工 编辑部严 正 声 明土中的应用技术研究J.新
25、型建筑材料，2022，49（9）：31-34.9 于晓贺，罗蓉，柳子尧，等.沥青路面典型裂缝湿度场数值模拟J.吉林大学学报(工学版)，2022，52（10）：2343-2351.10 刘虹，谢进.混凝土局压构件数值模拟中裂缝传递系数合理取值的研究J.四川建筑科学研究，2022，48（2）：24-29.11 李盛，张豪，孙煜，等.连续配筋混凝土刚柔复合式路面 Top-Down 开裂分析J.中南大学学报(自然科学版)，2022，53（6）：2300-2310.12 张腾腾，王传林，张宇轩，等.粉煤灰掺量对海水海砂高性能混凝土性能的影响J.硅酸盐通报，2022，41（5）：1677-1688.13
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27、rastructure Construction Investment Co.,Ltd.,Wuhan Hubei 435000,China;2.Wuhan Huazhong University of Science and Technology Testing Technology Co.,Ltd.,Wuhan Hubei 430074,China)AbstractThe numerical simulation method was used to analyze the crack damage characteristics of high-gradeconcrete pavement
28、 constructed with fly ash.Specimens 1,2 and 3 were prepared with fly ash mass fractions of 25%,35%and45%respectively.Inputting the parameters of these three specimens into the FLAC3D software for the numerical simulation,the evolution and variables of the crack damage were calculated to get the crac
29、k damage characteristics of high-grade concretepavement constructed with fly ash.The numerical simulation results showed that ultrafine fly ash with smaller particle sizecould lengthen the initial crack time and reduce the crack area,and specimen 2 with a fly ash mass fraction of 35%had thesmallest
30、crack area and longest initial crack time.After freeze-thaw cycles and dry-wet cycles,the crack damage degree wasrelatively small,and the small crack damage degree could still be maintained under high strain conditions.The crack area ofspecimens 1 and 3 was relatively large,with a shorter initial crack time.When subjected to freeze-thaw cycles and dry-wetcycles,the degree of crack damage was relatively high,indicating that severe crack damage characteristics occurred under theinfluence of loads.Key wordsfly ash;high-grade concrete pavement;crack damage;numerical simulation;FLAC3Dsoftware120-
