基于科研資源的土木工程材料實(shí)驗(yàn)教學(xué)拓展探索

王圣程, 祿利剛, 張 朕, 高 嵩

(徐州工程學(xué)院 土木工程學(xué)院, 江蘇 徐州 221018)

著名教育家杜威曾強(qiáng)調(diào)學(xué)習(xí)是基于教師指導(dǎo)下的發(fā)現(xiàn),而不是信息的傳遞[1]。現(xiàn)代本科教學(xué),旨在通過教學(xué)、研究與實(shí)踐的結(jié)合,引導(dǎo)學(xué)生靈活運(yùn)用已學(xué)的知識,并發(fā)現(xiàn)新知識,從而培養(yǎng)具有創(chuàng)新精神和實(shí)踐能力的應(yīng)用型人才[2-3]。土木工程材料是土木工程類專業(yè)一門必修專業(yè)基礎(chǔ)課,為后續(xù)的專業(yè)課的學(xué)習(xí)及將來從事土木工程建設(shè)工作正確選擇與使用材料奠定一定的理論基礎(chǔ)[4]。由于教師個(gè)人科研資源有限,土木工程材料的課程教學(xué)改革主要是針對課程內(nèi)容和教學(xué)方法的研究[5-7],無法將教學(xué)內(nèi)容與科研資源或?qū)嶋H工程問題相結(jié)合。教師的教學(xué)與科研呈正相關(guān), 但教學(xué)對科研的促進(jìn)作用小于科研對教學(xué)的促進(jìn)作用[8]。從已有或正在進(jìn)行的科研資源中提煉出貼近土木工程材料教學(xué)內(nèi)容的拓展性實(shí)驗(yàn)課題,不但能充實(shí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容,而且學(xué)生通過“科研—實(shí)驗(yàn)—拓展—辯證—工程”的一體化訓(xùn)練過程,能對土木工程材料的課程知識有更深層次的理解和認(rèn)識[9],有助于提高教學(xué)質(zhì)量。本文以機(jī)場混凝土道面強(qiáng)度等級對破壞的影響為例闡述科研資源教學(xué)內(nèi)容化這一模式。

1 機(jī)場混凝土道面科研資源提煉實(shí)驗(yàn)課題

物質(zhì)破壞的本質(zhì)是能量驅(qū)動下的狀態(tài)失穩(wěn)[8]。實(shí)際上,在各種土建工程中,對混凝土材料擾動、侵蝕、凍融和碳化等無一不是伴隨著能量的輸入、積聚、耗散及釋放。而受載混凝土的變形劣化及修復(fù)加固過程均是能量轉(zhuǎn)化和轉(zhuǎn)移的過程。從能量的角度研究混凝土的劣化規(guī)律,更接近其破壞本質(zhì)。以機(jī)場混凝土道面為例,其破壞則是達(dá)到強(qiáng)度極限時(shí)內(nèi)部積聚的彈性變形能急劇釋放的結(jié)果。機(jī)場道面設(shè)計(jì)時(shí),要保證有足夠的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度,在預(yù)定的使用年限內(nèi)能承受飛機(jī)荷載的多次重復(fù)作用,而不出現(xiàn)威脅安全或影響使用的結(jié)構(gòu)損壞。機(jī)場道面的等級不同,則其道面結(jié)構(gòu)強(qiáng)度不同。因此,詳細(xì)分析不同強(qiáng)度等級機(jī)場道面劣化過程中的能量演化規(guī)律,可以更好地為機(jī)場道面工程服務(wù)。

機(jī)場混凝土道面的強(qiáng)度等級的確定對后期民用飛機(jī)起降安全都會產(chǎn)生重要的影響。針對道面的強(qiáng)度等級,結(jié)合土木工程材料課程中混凝土質(zhì)量控制和配合比設(shè)計(jì)的知識,選擇 C30、C45和 C60混凝土作為機(jī)場道面的模擬強(qiáng)度等級,使學(xué)生不但學(xué)會設(shè)計(jì)混凝土的配合比,還能體會到配合比的適配、調(diào)整與確定。在力學(xué)加載實(shí)驗(yàn)過程中獲得不同強(qiáng)度混凝土的基本力學(xué)參數(shù),拓展引入能量計(jì)算方法和沖擊能,用于分析混凝土強(qiáng)度對其破壞的影響,進(jìn)而對機(jī)場道面管理提出建議。

2 混凝土基本力學(xué)實(shí)驗(yàn)及能量演化分析

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)采用電子萬能實(shí)驗(yàn)機(jī)。水泥混凝土試件尺寸Φ50 mm×100 mm。通過磨片機(jī)研磨,確保試件上下表面平行度小于0.05 mm、表面平面度小于0.02 mm。每組2個(gè)試樣。學(xué)生經(jīng)過混凝土配合比計(jì)算、調(diào)整及確定得出本實(shí)驗(yàn)用混凝土配比,見表1。

表1 混凝土配合比設(shè)計(jì)參數(shù)

2.1 混凝土的單軸加載實(shí)驗(yàn)

圖1為C30、C45和C60試樣的應(yīng)力—應(yīng)變曲線。

圖1 單軸壓縮下混凝土試樣的應(yīng)力-應(yīng)變曲線

C30、C45和C60試件的抗壓強(qiáng)度分別為34.48、47.73和61.46 MPa,其對應(yīng)的應(yīng)變分別為0.782×10-2、0.734×10-2和0.638×10-2,彈性模量分別為4.41、6.51和9.61 GPa。這說明C30、C45和C60試樣的剛度、脆性、相對抵抗變形和破壞的能力逐步提高,而相對韌性逐漸降低。

2.2 混凝土破壞過程的能量演化分析

從微觀力學(xué)的角度,混凝土劣化破壞是一個(gè)損傷演化的過程,主要體現(xiàn)在微裂隙[10]。隨著微裂隙的發(fā)育擴(kuò)展,需要吸收部分能量以滿足需要,這稱之為耗散能。另一部分吸收的能量以彈性變形存儲起來,成為彈性能。謝和平等指出物體變形破壞是能量耗散與能量釋放的綜合結(jié)果[11]。如果忽略巖石與周圍環(huán)境的熱交換,那么根據(jù)熱力學(xué)第一定律,吸收能等于彈性能與耗散能之和，見式(1)。鑒于彈性能的可逆性,吸收能、彈性能、耗散能可以通過應(yīng)力—應(yīng)變曲線計(jì)算得出,如圖2所示。吸收能密度、彈性能密度和耗散能密度由式(2)、(3)和(4)計(jì)算得出[12]。式中,E是水泥混凝土吸收能密度；Ee彈性能密度；Ed為耗散能密度。

E=Ee+Ed

(1)

(2)

(3)

Ed=E-Ee

(4)

圖2 應(yīng)力—應(yīng)變曲線上彈性能與耗散能的關(guān)系

由于卸載實(shí)驗(yàn)沒有進(jìn)行,根據(jù)彈性能的可逆性,采用初始彈性模量代替卸載彈性模量計(jì)算彈性能量密度[13]。根據(jù)試樣的加載應(yīng)力—應(yīng)變曲線,可以得出混凝土吸收能、彈性能和耗散能隨應(yīng)力比率變化的曲線,如圖3所示。從圖3中可以看出,C30、C45和C60試樣加載的能量演化模式相似,彈性能密度和耗散能密度都是隨著加載應(yīng)力的增加先緩慢增加后快速增加；在加載過程中,3種試樣的彈性能密度大于耗散能密度；C45的吸收能量密度、彈性能密度和耗散能密度均大于C30試樣的能量特征值,而均小于C60試樣。

圖3 混凝土試件能量演化曲線

2.2.1 混凝土強(qiáng)度對彈性能密度的影響

根據(jù)能量演化理論,以彈性變形儲存在物質(zhì)內(nèi)部的彈性能對誘發(fā)破壞起到了重要作用；彈性能越大,物體破壞所需要的能量越多。彈性能密度的峰值極限值為物體儲能極限,用來表征物質(zhì)積聚彈性變形能的能力[12]。儲能極限越大,通常具有更好的結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能,越不易受到能量驅(qū)動而破壞。如圖4所示,3種混凝土試樣的彈性能密度隨應(yīng)力比率非線性增加；在加載的初始階段,彈性能密度逐漸增加；隨著應(yīng)力比例的增加,彈性能密度增量增大。在相同的應(yīng)力比率下,試樣的彈性能密度總是呈現(xiàn):C60>C45>C30。例如當(dāng)應(yīng)力比率為65%時(shí),C60試樣的彈性能密度是C45試樣的1.37倍,C45試樣的彈性能密度是C30試樣的1.56倍。值得注意的是,混凝土的強(qiáng)度越大,其儲備彈性能的能力越強(qiáng)。C30、C45和C60的彈性能儲存極限分別為0.173、0.231和0.356 MJ/m3。

圖4 彈性能密度隨應(yīng)力比率變化曲線

2.2.2 混凝土強(qiáng)度對耗散能密度的影響

由熱力學(xué)定律可知,能量耗散是物質(zhì)變形破壞的本質(zhì)屬性,它反映了物質(zhì)內(nèi)部微裂隙的不斷發(fā)展、強(qiáng)度不斷弱化并最終喪失的過程[10]。因此,能量耗散與損傷和強(qiáng)度喪失直接相關(guān),耗散量反映了原始強(qiáng)度衰減的程度。在混凝土加載過程中,更多的微裂隙在混凝土破壞前產(chǎn)生。圖5為混凝土試樣的耗散能密度與應(yīng)力比率的關(guān)系。從圖5中可以看出,在應(yīng)力加載的初始階段,耗散能密度隨應(yīng)力的增加略有增長；當(dāng)應(yīng)力比率為70%～80%時(shí),由于混凝土試樣的微裂隙擴(kuò)展發(fā)育處于不穩(wěn)定狀態(tài),且微裂隙明顯增多,進(jìn)而耗散能密度隨應(yīng)力比率的增加而大幅度增長。當(dāng)應(yīng)力比率為100%時(shí),C30、C45和C60試樣的耗散能密度分別為0.042 5、0.056 3和0.105 MJ/m3；C45和C60試樣的耗散能密度分別是C30試樣的1.32倍和2.47倍?？梢?高強(qiáng)度的混凝土能減緩其微裂隙的產(chǎn)生而引發(fā)劣化的進(jìn)程。換言之,強(qiáng)度越高的混凝土,在其破裂時(shí)需要的耗散能更多。

圖5 耗散能密度隨應(yīng)力比率變化曲線

2.3 強(qiáng)度對混凝土劣化破壞的辯證分析

混凝土的劣化破壞是能量驅(qū)動的結(jié)果,其能量演化特征與其發(fā)生劣化破壞的危險(xiǎn)性是密切相關(guān)的。為了研究強(qiáng)度對混凝土破壞危險(xiǎn)性的影響,此處引入沖擊能指標(biāo),定義為峰值前后應(yīng)力—應(yīng)變曲線下的面積之比,即混凝土峰值強(qiáng)度前儲存的能量與峰值后穩(wěn)定破壞所需要的能量之比。如圖2所示,Ke=E/Es,其值越大,表示混凝土突然劣化的危險(xiǎn)性越大。一般認(rèn)為:Ke≥2.0為突然劣化危險(xiǎn)性強(qiáng)烈；1.0≤Ke<2.0為突然劣化危險(xiǎn)性中等；Ke<1.0無突然劣化危險(xiǎn)性[12]。

圖6為混凝土沖擊能指標(biāo)Ke。從圖6中可以看出,C60混凝土的Ke為2.31,表現(xiàn)為突然劣化危險(xiǎn)性強(qiáng)烈,C45和C30混凝土的Ke分別為1.83和1.68,表現(xiàn)為突然劣化危險(xiǎn)性中等。對機(jī)場混凝土道面而言,在飛機(jī)動載的持續(xù)作用下,其設(shè)計(jì)建造的強(qiáng)度越高,彈性能儲存極限越大,發(fā)生劣化所需要的能量越多,越不容易發(fā)生劣化。要特別注意,機(jī)場道面等級越高,道面基礎(chǔ)的承載強(qiáng)度越大,表現(xiàn)出的突然劣化危險(xiǎn)等級越高,則發(fā)生突然劣化的概率就越大,需要機(jī)場有關(guān)部門做好日常檢查排查工作,防止機(jī)場道面劣化影響飛機(jī)起降安全,確保飛機(jī)運(yùn)行安全。

圖6 混凝土強(qiáng)度等級對沖擊能的影響

3 討論

(1) 混凝土試件的制作。將本實(shí)驗(yàn)與教材上的混凝土質(zhì)量控制與配合比設(shè)計(jì)聯(lián)系起來,并串聯(lián)出配合比適配與調(diào)整及混凝土和易性實(shí)驗(yàn),得出混凝土的基準(zhǔn)配合比?；诖?檢驗(yàn)混凝土的強(qiáng)度?；炷翉?qiáng)度檢測至少3個(gè)不同配合比,涉及到對比實(shí)驗(yàn)，其一為基準(zhǔn)配合比,另外2個(gè)水膠比分別增加或減少0.05,標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28d?？墒箤W(xué)生以應(yīng)用為導(dǎo)向進(jìn)行混凝土實(shí)驗(yàn)室配合比計(jì)算,深度理解配合比的適配、調(diào)整與強(qiáng)度檢測,全面掌握混凝土配合比確定全過程。

(2) 混凝土的力學(xué)參數(shù)的測定與計(jì)算?；趯W(xué)生設(shè)計(jì)的混凝土配合比,進(jìn)行單軸力學(xué)加載實(shí)驗(yàn),引入混凝土應(yīng)變的測量,得出混凝土的應(yīng)力—應(yīng)變曲線,講述混凝土的彈性模量的意義及計(jì)算方法,從而加強(qiáng)學(xué)生對混凝土荷載作用下變形性能的理解與認(rèn)識。

(3) 能量計(jì)算方法的引入。物質(zhì)破壞的本質(zhì)是能量驅(qū)動下的失穩(wěn)?；趹?yīng)力—應(yīng)變曲線引出能量計(jì)算方法和對應(yīng)的分析策略,讓學(xué)生學(xué)會通過力學(xué)現(xiàn)象掌握能量演化的本質(zhì),有助于提高學(xué)生對混凝土破壞的認(rèn)知度,使學(xué)生更深入、更形象地理解混凝土變形的破壞性能,提高學(xué)生思維的廣度。

(4) 工程問題的辯證分析能力。引入混凝土破壞危險(xiǎn)性的沖擊能指標(biāo),通過學(xué)生對不同強(qiáng)度混凝土沖擊能的計(jì)算,得出“混凝土強(qiáng)度越高,危險(xiǎn)性越大”的結(jié)論。讓學(xué)生了解工程實(shí)踐中的復(fù)雜性與綜合性,讓學(xué)生深知任何事情都有其兩面性,要學(xué)會辯證地分析問題、解決問題,并基于此提出工程建議。

4 結(jié)語

通過“科研—實(shí)驗(yàn)—拓展—辯證—工程”五位一體實(shí)驗(yàn)教學(xué)方案的系統(tǒng)實(shí)踐,實(shí)現(xiàn)科研資源教學(xué)內(nèi)容化,教材成為“有我式”教材,打破章節(jié)的約束,形成統(tǒng)一整體,有助于教學(xué)內(nèi)容的重構(gòu)與模塊化教學(xué)的開展,實(shí)現(xiàn)“源于教材、高于教材”,使學(xué)生將相關(guān)的土木工程材料知識融為一體,加深對混凝土相關(guān)性質(zhì)的理解與認(rèn)識。通過新知識的引入,培養(yǎng)學(xué)生分析問題、解決問題和辯證思維的能力,使學(xué)生的求知欲和主動性得到增強(qiáng)。

參考文獻(xiàn)(References)

[1] 張志鎮(zhèn),楊玉貴,高亞楠,等.源自工程實(shí)踐的材料力學(xué)創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)教學(xué)探索[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理,2016,33(10):188-192.

[2] 徐鵬,謝占魁,王復(fù)興,等.材料力學(xué)教學(xué)中加強(qiáng)力學(xué)建模能力的探索與實(shí)踐[J].力學(xué)與實(shí)踐, 2014, 36(2):226-228.

[3] 范欽珊,陳建平,唐靜靜,等.研究型大學(xué)需要研究型教學(xué):力學(xué)課程研究型教學(xué)的幾點(diǎn)體會[J].中國大學(xué)教學(xué),2009(11):8-10.

[4] 余麗武,朱平華,張志軍.土木工程材料[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2017.

[5] 劉冬梅,彭艷周,袁曉露.土木工程專業(yè)的《土木工程材料》課程教學(xué)探討[J].高教學(xué)刊, 2016(19):66-67.

[6] 胡新萍,秦美珠,郭勁言.高校土木工程材料課程實(shí)踐教學(xué)的改革[J].建筑技術(shù)開發(fā),2017, 44(2):125-126.

[7] 張淵,張穎,宗榮.應(yīng)用型本科院校土木工程材料教學(xué)分層次教學(xué)方法探討[J].教書育人(高教論壇),2016(33):98-100.

[8] 劉獻(xiàn)君.大學(xué)教師對于教學(xué)與科研關(guān)系的認(rèn)識和處理調(diào)查研究[J].高等工程教育研究, 2010(2):13-13.

[9] 鄢秋榮,王玉皞,王艷慶,等.以綜合性開放項(xiàng)目推動和貫通課程群的實(shí)踐教學(xué)模式探索[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理,2016,33(3):193-196.

[10] Cai C,Gao F, Li G,et al.Evaluation of coal damage and cracking characteristics due to liquid nitrogen cooling on the basis of the energy evolution laws[J].Journal of Natural Gas Science & Engineering,2016,29:30-36.

[11] 謝和平,鞠楊,黎立云.基于能量耗散與釋放原理的巖石強(qiáng)度與整體破壞準(zhǔn)則[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2005,24(17):3003-3010.

[12] 張志鎮(zhèn),高峰,崔洋,等.巖石能量特征與其細(xì)觀結(jié)構(gòu)的關(guān)聯(lián)性[J].科技導(dǎo)報(bào),2013, 31(8):20-26.

[13] 梁昌玉,李曉,王聲星,等.巖石單軸壓縮應(yīng)力—應(yīng)變特征的率相關(guān)性及能量機(jī)制試驗(yàn)研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2012,31(9):1830-1838.