土木工程材料課程試驗(yàn)與創(chuàng)新

黃顯彬+鄒祖銀+廖曼

摘要：土木工程材料課程試驗(yàn)是熟悉國(guó)家技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，驗(yàn)證和鞏固所學(xué)理論知識(shí)，培養(yǎng)學(xué)生動(dòng)手和創(chuàng)新能力的重要環(huán)節(jié)。以水泥混凝土抗?jié)B試驗(yàn)為例，針對(duì)傳統(tǒng)水泥混凝土抗?jié)B試驗(yàn)過(guò)程復(fù)雜、試件密封困難、試驗(yàn)成功率不高、試驗(yàn)結(jié)果誤差大等問(wèn)題，在保持現(xiàn)有抗?jié)B儀的試驗(yàn)機(jī)理基本不變的前提下，通過(guò)不斷改進(jìn)和總結(jié)，優(yōu)化創(chuàng)新傳統(tǒng)水泥混凝土抗?jié)B試驗(yàn)儀及其試驗(yàn)操作，首次提出通過(guò)適當(dāng)增大混凝土試件尺寸、增加內(nèi)部預(yù)埋引壓管等關(guān)鍵措施，直觀察看滲水路徑，提高抗?jié)B試驗(yàn)的成功率。研究成果為土木工程材料課程及其它土木工程課程試驗(yàn)與創(chuàng)新提供了參考，值得土木工程材料課程和其它課程教學(xué)借鑒；同時(shí)將為修改和逐步完善現(xiàn)行規(guī)范提供技術(shù)支撐，為土木工程中抗?jié)B結(jié)構(gòu)帶來(lái)社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益。

關(guān)鍵詞：土木工程材料課程；試驗(yàn)；新型抗?jié)B儀；創(chuàng)新

中圖分類號(hào)：G64423；TU3-4 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：10052909（2017）02011905

土木工程材料課程作為高等院?！按笸聊尽杯h(huán)境下土木工程、房屋建筑工程、道路工程、橋梁工程等專業(yè)的必修課、基礎(chǔ)課及專業(yè)課，在整個(gè)土木工程教學(xué)體系中起著承上啟下的作用[1]。其課程特點(diǎn)實(shí)踐性強(qiáng)、知識(shí)體系分散[2]；內(nèi)容繁雜、學(xué)時(shí)相對(duì)偏少[3]。尤其是土木工程材料試驗(yàn)，它在培養(yǎng)學(xué)生實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力方面有舉足輕重的作用[4-5]，既能增加學(xué)生動(dòng)手操作的機(jī)會(huì)，加深課堂分散知識(shí)體系印象，充分理解理論與實(shí)踐的區(qū)別和聯(lián)系，熟悉試驗(yàn)的目的和意義，又能激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新能力和科研興趣。

傳統(tǒng)土木工程材料試驗(yàn)教學(xué)方法是教師在課堂上講，學(xué)生按照教師的指令一步一步地操作，試驗(yàn)結(jié)束后撰寫(xiě)并提交試驗(yàn)報(bào)告[6]。學(xué)生雖動(dòng)手做了試驗(yàn)，但獨(dú)立思考不夠，積極主動(dòng)性發(fā)揮不出來(lái)，不利于培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手能力和創(chuàng)新能力[7]。教師必須創(chuàng)新思路，以學(xué)生為主體，充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的積極性和主動(dòng)性，使學(xué)生理解土木工程材料學(xué)科的基本思維方法，掌握分析手段，提高試驗(yàn)技能和綜合能力[8]?？萍紕?chuàng)新分為原始創(chuàng)新和跟蹤創(chuàng)新兩種，技術(shù)上的屬于技術(shù)創(chuàng)新，學(xué)術(shù)上的是知識(shí)創(chuàng)新，建設(shè)上的是工程創(chuàng)新[9-11]。不少高校教學(xué)計(jì)劃中土

木工程材料課程理論學(xué)時(shí)較多，試驗(yàn)學(xué)時(shí)相對(duì)偏少，如何在有限的學(xué)時(shí)下合理安排試驗(yàn)內(nèi)容，最大限度地提高學(xué)生的動(dòng)手能力和創(chuàng)新能力，值得思考。文章以水泥混凝土抗?jié)B試驗(yàn)為例，針對(duì)現(xiàn)有水泥混凝土抗?jié)B儀的缺點(diǎn)，提出新型水泥混凝土抗?jié)B儀試驗(yàn)機(jī)理，通過(guò)相應(yīng)的試驗(yàn)研究和理論分析，重點(diǎn)闡述了土木工程材料課程試驗(yàn)與創(chuàng)新。

一、研究背景

抗?jié)B混凝土廣泛使用在水工、水下、水中、地下和其它有抗?jié)B要求的土木工程中（如大壩混凝土、隧道支護(hù)混凝土，等等）。根據(jù)規(guī)范GB—T50082—2009《普通混凝土長(zhǎng)期性能和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》，采用HP-4.0抗?jié)B儀進(jìn)行水泥混凝土抗?jié)B試驗(yàn)，這一傳統(tǒng)方法沿用至今。長(zhǎng)期實(shí)踐表明：傳統(tǒng)方法檢測(cè)混凝土抗?jié)B性能實(shí)現(xiàn)難度大，耗時(shí)長(zhǎng)，成功率不高。如何準(zhǔn)確判定水泥混凝土抗?jié)B性能仍是一大難題，也成為了試驗(yàn)檢測(cè)儀器設(shè)備、手段及相應(yīng)理論滯后于工程應(yīng)用。

目前國(guó)內(nèi)外對(duì)于混凝土抗?jié)B性能的研究有多種試驗(yàn)方法，其中以傳統(tǒng)水壓力試驗(yàn)法為主，分為穩(wěn)定流動(dòng)法（constant flow method）、滲透深度法（depth of penetration method）和抗?jié)B標(biāo)號(hào)法[12-13]。R.P.Khatri and V.Sirivivatnanon 在研究中建立了穩(wěn)定流動(dòng)法與滲透深度法之間的聯(lián)系，給出了兩種研究方法的選擇標(biāo)準(zhǔn)。究竟采用哪種試驗(yàn)方法，取決于混凝土的28d抗壓強(qiáng)度F28C與齡期T之間的關(guān)系：

2.3（T）2+1.1（F28c）2>10 400時(shí)，采用滲透深度法；

2.3（T）2+1.1（F28c）2<10 400時(shí)，采用穩(wěn)定流動(dòng)法。

中國(guó)試驗(yàn)方法現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)中采用抗?jié)B標(biāo)號(hào)法，即采用現(xiàn)有抗?jié)B儀進(jìn)行抗?jié)B試驗(yàn)。該方法是滲透深度法的一種特例，特點(diǎn)是比穩(wěn)定流動(dòng)法和滲透深度法簡(jiǎn)單，適用于工程，但對(duì)于科學(xué)研究，該方法的研究數(shù)據(jù)太少[12]。中國(guó)現(xiàn)有抗?jié)B試驗(yàn)規(guī)范頒布超過(guò)20年，存在諸多弊端。在大眾創(chuàng)新時(shí)代，土木工程專業(yè)本科教學(xué)需與時(shí)俱進(jìn)，土木工程材料課程如何試驗(yàn)與創(chuàng)新是相關(guān)教師和學(xué)生的新課題。新型水泥混凝土抗?jié)B儀的研制及其試驗(yàn)研究項(xiàng)目，試圖采用獨(dú)特思維和技術(shù)路線來(lái)詮釋創(chuàng)新。

二、現(xiàn)有抗?jié)B儀及其試驗(yàn)機(jī)理

（一）現(xiàn)有抗?jié)B儀概況

按照規(guī)范[14]現(xiàn)有抗?jié)B儀由套模（又稱“機(jī)架試模”）6個(gè)、臺(tái)面、支架、加壓系統(tǒng)、儲(chǔ)水罐和壓力控制系統(tǒng)等組成，利用密閉容器內(nèi)壓強(qiáng)處處相等的原理進(jìn)行工作，如圖1。

（二）現(xiàn)有抗?jié)B儀試驗(yàn)機(jī)理

按照規(guī)范[15]現(xiàn)有抗?jié)B儀試驗(yàn)機(jī)理為：抗?jié)B試件以6個(gè)為一組（直徑和高度均為150 mm的圓柱體試件），試件成型后24 h拆模，一般標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)至28 d齡期進(jìn)行抗?jié)B試驗(yàn)。試件養(yǎng)護(hù)至試驗(yàn)前一天取出，表面晾干后在其側(cè)面涂一層熔化的密封材料（一般為工業(yè)石蠟），隨即將試件壓入經(jīng)烘箱預(yù)熱過(guò)的試件套中，稍微冷卻后即可解除壓力，連同試件套裝在抗?jié)B儀上進(jìn)行試驗(yàn)，如圖2。

試驗(yàn)從水壓為0.1 MPa開(kāi)始，以后每隔8 h增加水壓0.1 MPa，并且隨時(shí)觀察試件端面的滲水情況。當(dāng)6個(gè)試件中有3個(gè)試件端面呈現(xiàn)滲水現(xiàn)象時(shí)，即可停止試驗(yàn)，記錄當(dāng)時(shí)的水壓。試驗(yàn)過(guò)程中，如發(fā)現(xiàn)水從試件周邊（試件與機(jī)架試模之間的密封帶）滲出，則應(yīng)停止試驗(yàn)，重新密封。混凝土的抗?jié)B標(biāo)號(hào)以每組6個(gè)試件出現(xiàn)滲水時(shí)的最大壓力計(jì)算。

（三）現(xiàn)有抗?jié)B儀及抗?jié)B試驗(yàn)弊端

現(xiàn)有抗?jié)B儀檢測(cè)混凝土抗?jié)B性能的實(shí)現(xiàn)難度大、耗時(shí)長(zhǎng)、成功率不高。具體而言，主要問(wèn)題有以下幾個(gè)方面的問(wèn)題。

（1）試驗(yàn)程序復(fù)雜，密封困難。預(yù)制混凝土試件壓入機(jī)架試模后，需進(jìn)行密封，密封之前需要將混凝土試件、機(jī)架試模等預(yù)熱，將工業(yè)石蠟加熱至50～60℃熔化成液態(tài)，再將其滴入混凝土試件和機(jī)架試模中間的空隙區(qū)域，試圖讓石蠟冷卻凝固后密封空隙，該程序大大增加了時(shí)間和資金成本。

（2）試驗(yàn)結(jié)果誤差大。不能保證試件與機(jī)架試模之間完全密封，致使試驗(yàn)時(shí)壓力水可能從試件與機(jī)架試模之間的密封區(qū)域空隙滲出。事實(shí)上，在試模中制作水泥混凝土的試件還需經(jīng)過(guò)適當(dāng)加熱試件、工業(yè)石蠟等環(huán)節(jié)，謹(jǐn)慎操作也難以保證絕對(duì)成功。水泥混凝土抗?jié)B試模，如圖3。

（3）觀察滲水路徑比較困難（試驗(yàn)時(shí)不排除水直接沿密封帶上升至試件頂面，或從薄弱混凝土層滲透至試件表面的虛假滲透現(xiàn)象）。大多數(shù)情況僅僅從試件端面觀察滲水情況。有時(shí)需將試件從機(jī)架試模中取出，用壓力機(jī)將試件均勻劈成兩半之后才能觀察壓力水的滲透路徑，操作難度大。加壓滲水試驗(yàn)時(shí)，理想密封狀態(tài)，如圖4（1）；密封失效時(shí)，滲水沿著密封區(qū)域滲漏，如圖4（2）；部分密封失效，滲水通過(guò)密封通道在端部沿著混凝土薄弱區(qū)域滲水，如圖4（3）。

三、新型水泥混凝土研制及其試驗(yàn)原理

（一）新型水泥混凝土抗?jié)B儀研制思路

基于現(xiàn)有水泥混凝土抗?jié)B儀的種種弊端，新型抗?jié)B儀擬取消機(jī)架試模，省略密封環(huán)節(jié)，以方便觀察滲水路徑。

怎么樣實(shí)現(xiàn)比較大膽而創(chuàng)新的設(shè)想？結(jié)合土木工程材料本科課程、現(xiàn)有抗?jié)B儀的機(jī)理，課題組成員進(jìn)行了長(zhǎng)期構(gòu)思并多次繪制草圖，經(jīng)過(guò)不斷修改、完善，擬定在基本不改變現(xiàn)有水泥混凝土抗?jié)B儀及試驗(yàn)機(jī)理的前提下，適當(dāng)調(diào)整混凝土試件尺寸，在其中心部位預(yù)埋引壓管，采用上下顛倒的方式將混凝土試件插入試驗(yàn)臺(tái)中。

（二）新型水泥混凝土抗?jié)B儀試驗(yàn)流程

具體流程為：制造擴(kuò)大頭和預(yù)埋引壓管；用螺栓組裝擴(kuò)大頭和預(yù)埋引壓管，如圖5（1）、5（2）；將組裝后的預(yù)埋引壓管和混凝土試模上的鋼片螺栓連接，如圖5（3）；澆筑混凝土（預(yù)埋引壓管直接澆筑在混凝土中）；養(yǎng)護(hù)28 d后將試件上下顛倒安裝在試驗(yàn)臺(tái)桌上；灌水加壓；觀察滲水路徑。其中，擴(kuò)大頭上口為直徑60 mm、高20 mm的喇叭口，下口與預(yù)埋引壓管同徑。上口擴(kuò)大到60 mm目的是增加壓力水滲透面積，高度20 mm目的是在澆筑混凝土之間澆筑一層同配比水泥砂漿作為臨時(shí)模板，防止?jié)仓炷習(xí)r水泥漿進(jìn)入預(yù)埋引壓管，如圖5（4）；灌水加壓前將預(yù)留水管與預(yù)埋引壓管接通，加壓后壓力水將從預(yù)埋引壓管的擴(kuò)大頭滲透，從而可以任意從混凝土的上端面、側(cè)面薄弱的地點(diǎn)滲透出來(lái)，如圖5（5）。

（三）新型水泥混凝土抗?jié)B儀試驗(yàn)機(jī)理

新型混凝土抗?jié)B儀加壓后，壓力水自擴(kuò)大頭開(kāi)始，從混凝土中任意薄弱環(huán)節(jié)滲透，直至流出混凝土上端面或側(cè)面中的任意面；因預(yù)埋引壓管和混凝土已牢固澆筑，緊密連接，壓力水不會(huì)從引壓管和混凝土之間的空隙滲透。

新型抗?jié)B儀擬采用試件直徑和高均為300 mm的圓柱體，從擴(kuò)大頭到混凝土的任意表面的距離最短為150 mm，基本滿足規(guī)范[15]對(duì)最短滲水路徑150 mm的要求。實(shí)際工作中水泥混凝土結(jié)構(gòu)層抗?jié)B相對(duì)于抗?jié)B試件來(lái)講是無(wú)限大的，客觀上將試件尺寸從150 mm加大到300 mm與實(shí)際工程更為接近。試驗(yàn)效果有待于后續(xù)研究工作的進(jìn)展及成果評(píng)定。

新型抗?jié)B儀取消機(jī)架試模，可從混凝土上端面和側(cè)面輕松觀察滲水路徑，能夠?qū)崿F(xiàn)除底面外的全方位、多角度觀測(cè)滲水路徑。

四、大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目申報(bào)

基于該項(xiàng)目的獨(dú)特創(chuàng)意，項(xiàng)目經(jīng)過(guò)小組評(píng)審、學(xué)院評(píng)審，在校級(jí)和省級(jí)層層篩選下，脫穎而出。目前已經(jīng)獲批四川農(nóng)業(yè)大學(xué)大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目和四川省大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目，項(xiàng)目的獲批為后續(xù)研制提供了重要平臺(tái)和條件。

（一）項(xiàng)目技術(shù)路線

（二）項(xiàng)目進(jìn)展及后續(xù)工作

目前項(xiàng)目進(jìn)展：完成了實(shí)用新型（專利申請(qǐng)?zhí)?01610223488.3）和發(fā)明專利（專利申請(qǐng)?zhí)?01620299957.5）申請(qǐng)，與北京藍(lán)航智晟試驗(yàn)儀器有限公司簽訂生產(chǎn)新型水泥混凝土抗?jié)B儀的合作協(xié)議。四川農(nóng)業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院制定了采購(gòu)新型抗?jié)B儀計(jì)劃，新型水泥混凝土抗?jié)B儀預(yù)計(jì)在2016年底投入試驗(yàn)。

后續(xù)研究工作：待樣機(jī)生產(chǎn)制造成功，按照計(jì)劃進(jìn)行新型和現(xiàn)有水泥混凝土抗?jié)B儀對(duì)比試驗(yàn)，（擬采用在建的國(guó)道G213線汶川縣境內(nèi)映秀至汶川的福堂隧道二次襯砌C30抗?jié)B混凝土，隨機(jī)抽樣各不少于50組；現(xiàn)有抗?jié)B儀1組6個(gè)試件，新型抗?jié)B儀1組3個(gè)試件）。后續(xù)將對(duì)抗?jié)B機(jī)理進(jìn)行理論分析，利用Pfc等軟件進(jìn)行數(shù)值模擬，研究二者的相似性、差異性及新型抗?jié)B儀的可行性。把試驗(yàn)的重點(diǎn)放在新型抗?jié)B儀的可操作性上，把分析的重點(diǎn)放在新型抗?jié)B儀的可行性上。

（三）項(xiàng)目的特色與創(chuàng)新

從技術(shù)創(chuàng)新方面來(lái)看，無(wú)需密封，能順暢觀察滲水路徑，試驗(yàn)簡(jiǎn)單方便；預(yù)埋引壓管，壓力水從混凝土試件中部向四周薄弱區(qū)域自由滲透，滿足現(xiàn)有規(guī)范要求的現(xiàn)有抗?jié)B儀基本尺寸150 mm；取消機(jī)架試模，無(wú)四周側(cè)限附加壓力限制。

從方法創(chuàng)新方面來(lái)看，擬進(jìn)行新型和現(xiàn)有抗?jié)B儀的對(duì)比試驗(yàn)，采用理論公式計(jì)算、數(shù)值模擬等理論分析方法，多角度多方法論證新型水泥混凝土抗?jié)B儀的可行性。

五、討論

教師和學(xué)生應(yīng)熟悉土木工程材料課程及其試驗(yàn)基本內(nèi)容，達(dá)到融會(huì)貫通。熟悉土木工程材料規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)，充分了解規(guī)范的本質(zhì)及缺陷，是研制新型抗?jié)B儀、進(jìn)行創(chuàng)新思維的前提條件。

從一個(gè)普通抗?jié)B試驗(yàn)入手思考現(xiàn)有抗?jié)B儀的局限，聯(lián)想到研制新型抗?jié)B儀。這種修改和聯(lián)想創(chuàng)新，遠(yuǎn)比某一具體試驗(yàn)及試驗(yàn)儀器本身重要得多，也是重要發(fā)明創(chuàng)造的基礎(chǔ)。

六、結(jié)語(yǔ)

如何搞好土木工程材料課程試驗(yàn)、如何創(chuàng)新，是學(xué)者們長(zhǎng)期研究和探討的課題。水泥混凝土抗?jié)B試驗(yàn)儀創(chuàng)新研制，得出如下結(jié)論。

（1）土木工程材料課程試驗(yàn)大多是常規(guī)試驗(yàn)，通過(guò)現(xiàn)有水泥混凝土抗?jié)B儀及相應(yīng)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)弊端，開(kāi)啟教師和學(xué)生改進(jìn)思路，進(jìn)而激發(fā)創(chuàng)新興趣。

（2）新型水泥混凝土抗?jié)B儀研制一波三折，但思路新穎，克服了現(xiàn)有抗?jié)B儀密封困難、易從密封區(qū)域滲水、不易成功等缺點(diǎn)，通過(guò)在混凝土試件內(nèi)部預(yù)埋引壓管、取消機(jī)架試模等改進(jìn)措施觀察滲水路徑更直觀，試驗(yàn)更簡(jiǎn)單。

（3）現(xiàn)有和新型水泥混凝土抗?jié)B儀后續(xù)對(duì)比試驗(yàn)（擬對(duì)比二者試驗(yàn)流程、滲水路徑、試驗(yàn)結(jié)果吻合度）有序開(kāi)展，理論分析思路明確，技術(shù)路線方案可行，研究結(jié)果值得期待。

（4）擬通過(guò)公式計(jì)算、數(shù)值分析等理論分析論證現(xiàn)有與新型抗?jié)B儀試驗(yàn)的抗?jié)B機(jī)理，完善新型抗?jié)B儀試驗(yàn)的理論基礎(chǔ)。

新型抗?jié)B儀研制及其試驗(yàn)研究，研制思路和技術(shù)路線值得延伸和推廣，值得土木工程材料課程及其它課程新型試驗(yàn)儀的研制及改進(jìn)借鑒，也為土木工程其它專業(yè)課程的創(chuàng)新提供了有益參考。

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Abstract：Civil engineering materials experiment is the important link to master knowledge of civil engineering materials. Taking cement concrete antipermeability test for example， optimizing and innovating the traditional cement concrete antipermeability instrument and the test itself， creatively puts forward the development thinking， technical route and experiment mechanism of new cement concrete antipermeability instrument. Analysis shows that new cement concrete antipermeability instrument and its test， under the premise of keeping antipermeability instrument test mechanism unchanged， creatively proposes appropriate increase of concrete specimen size， preembedded pressleading tube internally， etc key measures， avoiding seal procedure of the existing antipermeability instrument cleverly. Moreover， the subsequent comparative tests and theoretical analysis are worth looking forward to. And technical route will be also prudently carried forward. Test and development scheme cover innovation characteristics obviously. Research achievement provides important references for civil engineering materials experiment and innovation，as well as other civil engineering courses， and provides lessons for civil engineering materials teaching and other courses teaching. Simultaneously， the achievement promotes amendment and improvement in traditional codes， bringing social benefit and economic value for concrete in civil engineering antipermeability structure.

Keywords： civil engineering materials； test； new antipermeability instrument； innovation

（編輯 梁遠(yuǎn)華）