基于新材料的梁抗彎性能實驗教學(xué)探索

李福海 吳昊南 姜怡林 王江山 胡丁涵 占玉林

摘要：以聚丙烯纖維增強混凝土梁（PP-ECC梁）抗彎性能科研課題為依托，結(jié)合建筑材料中混凝土梁實驗教學(xué)，分析了RC梁及PP-ECC梁在裂縫形態(tài)、寬度、變形情況及其承載力等方面的性能差異，對采用新型材料開展梁結(jié)構(gòu)抗彎實驗的新方法和新思路進行了總結(jié)，提出了將科研課題、工程實踐與實驗融為一體的梁式結(jié)構(gòu)實驗教學(xué)模式創(chuàng)新改革。該模式作為傳統(tǒng)教學(xué)的優(yōu)化和補充，可為其他課程實驗教學(xué)革新提供思路，有利于激發(fā)學(xué)生的實驗興趣，培養(yǎng)其使用軟件處理實驗數(shù)據(jù)并分析實驗結(jié)果的科研能力，以及理論與工程應(yīng)用相結(jié)合的綜合能力。

關(guān)鍵詞：ECC梁;實驗教學(xué);科研課題;教學(xué)改革;抗彎性能實驗

中圖分類號：TU502-4?? 文獻標(biāo)志碼：A?? 文章編號：1005-2909（2021）02-0146-08

不斷發(fā)展的國內(nèi)外經(jīng)濟形勢對工科人才提出了新要求，如“一帶一路”倡議的推進、高速鐵路建設(shè)的迅速發(fā)展等，要求土木工程人才急需掌握更全面的技能以解決工程實際問題[1]。近年來，我國工程項目逐漸走向國際舞臺，海外項目的數(shù)量和規(guī)模發(fā)展迅速，新形勢對工程人才提出了新要求。首先，在較為陌生的建設(shè)及社會環(huán)境中，學(xué)生靈活運用專業(yè)知識并結(jié)合當(dāng)?shù)貤l件解決工程問題的實踐能力是新要求的重中之重;其次，作為海外項目的設(shè)計者和建造者，專業(yè)理論水平必須過硬，生搬硬套無法解決新環(huán)境中的新問題。為此，實驗教學(xué)必須適應(yīng)新形勢，迎接新挑戰(zhàn)。

建筑材料是土木工程的基礎(chǔ)課程，可培養(yǎng)學(xué)生的理論和實踐能力。目前，高校建筑材料實驗教學(xué)存在的不足導(dǎo)致土木工程專業(yè)學(xué)生的動手能力較弱。實驗教學(xué)內(nèi)容陳舊、驗證性實驗過多、實驗學(xué)時少、教學(xué)方式單一、實驗管理落后等[2-3]使得學(xué)生缺乏興趣，浪費了寶貴的實踐學(xué)習(xí)機會。

從實驗內(nèi)容本身入手能一定程度緩解上述問題，使教學(xué)效果得以保證。針對目前建筑材料實驗教學(xué)現(xiàn)狀，以PP-ECC梁抗彎性能科研課題為例，對建筑材料實驗教學(xué)中新型材料梁結(jié)構(gòu)抗彎試驗的新思路進行了總結(jié)和思考，以期探索我國高校建筑材料實驗教學(xué)的新方法和新模式。

一、鋼筋混凝土梁實驗教學(xué)

（一）鋼筋混凝土梁實驗

1.材料

水泥、砂、石、粉煤灰、聚羧酸減水劑、鋼筋及若干應(yīng)變片。

2.實驗內(nèi)容

各組分別制備1100*100*120 mm鋼筋混凝土梁，包括鋼筋綁扎、混凝土攪拌澆筑、鋼筋及混凝土應(yīng)變測點制作、養(yǎng)護、混凝土及鋼筋力學(xué)性能試驗，這些工作由相關(guān)的技術(shù)工人配合完成。學(xué)生對待檢測的鋼筋混凝土梁進行分析計算，得到實驗荷載及關(guān)鍵部位的內(nèi)力及變形計算值，根據(jù)計算結(jié)果設(shè)計實驗加載及測量方案并完成整個實驗，觀察試件裂縫，了解鋼筋混凝土梁全過程受力行為。實驗完成后整理實驗結(jié)果，并將實驗結(jié)果與理論計算值進行比較，評定該梁是否達(dá)到設(shè)計要求。

（二）鋼筋混凝土梁實驗教學(xué)的不足

1.實驗內(nèi)容較為滯后

該實驗中鋼筋混凝土梁制備用水泥、砂石、鋼筋等傳統(tǒng)材料，沒有添加纖維等新材料。目前，各類工程項目廣泛應(yīng)用新材料、新技術(shù)、新工藝，傳統(tǒng)材料正逐漸減少或被取代，但這些變化在實驗教學(xué)中較少體現(xiàn)，在實驗教材中也未能及時更新材料的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、質(zhì)量控制和檢測標(biāo)準(zhǔn)、設(shè)計規(guī)范[4]。實驗內(nèi)容相對滯后，驗證性實驗較多，會使學(xué)生的好奇心減弱、興趣降低，不利于培養(yǎng)學(xué)生獨立思考能力。

2.教學(xué)方式陳舊

傳統(tǒng)教學(xué)實驗采用教師講解的方式，實驗開始前，教師講解實驗內(nèi)容、目的、原理、儀器、步驟及注意事項，然后學(xué)生操作實驗，記錄原始實驗數(shù)據(jù)，實驗結(jié)束后編寫實驗報告[5]。這種教學(xué)方式學(xué)生雖然可以了解整個實驗過程、鞏固課堂所學(xué)的理論知識，但積極性不高，學(xué)習(xí)較為被動，依賴性強，能力得不到提升。

3.實驗內(nèi)容缺乏工程性

實驗內(nèi)容以驗證材料性質(zhì)為主，缺乏創(chuàng)新性和應(yīng)用性，學(xué)生興趣不濃。此外，實驗大多注重材料的特點、基本性能，缺乏與科研課題和工程案例之間的聯(lián)系，不利于快速提升學(xué)生的實踐能力和靈活運用所學(xué)知識的能力[6]。

4.考核方式單一

國內(nèi)大多數(shù)高校實驗考核方式主要以提交實驗報告的形式來評判和考核實驗內(nèi)容[7]。實驗報告由于形式、結(jié)果類似，容易出現(xiàn)抄襲現(xiàn)象，教師不能根據(jù)實驗報告合理評價學(xué)生的真實學(xué)習(xí)情況。整個考核過程忽略了學(xué)生在實驗中的表現(xiàn)，打擊了學(xué)生的主動性與積極性[4]。

二、PP-ECC科研項目精選實驗課題

普通混凝土抗拉強度低、韌性差，常與鋼筋組合形成構(gòu)件應(yīng)用，在極端情況下容易發(fā)生脆性破壞。由于荷載長期作用或外界環(huán)境等原因，構(gòu)件的裂縫寬度通常難以控制。高延性水泥基復(fù)合材料（Engineered Cementitious Composites，簡稱“ECC”）是一種高韌性并具有應(yīng)變硬化特性的新型材料[8-9]。通常摻加纖維以提高其抗拉強度和韌性，但纖維的體積分?jǐn)?shù)通常不超過2%。ECC受拉時，其中的纖維能產(chǎn)生橋聯(lián)應(yīng)力[10]，由于纖維和基體之間存在粘結(jié)力，纖維能代替混凝土承受部分拉應(yīng)力，以此提高構(gòu)件的承載能力和延性。其極限拉應(yīng)變約為普通混凝土的300～500倍，可達(dá)3%～7%，而普通混凝土在開裂時的極限拉應(yīng)變僅為0.02%[11]。此外，ECC材料的裂縫寬度通常控制在100 μm以內(nèi)[12-16]，且裂縫數(shù)量較多。文中以PP-ECC作為新材料制作試驗梁，讓學(xué)生在教師的指導(dǎo)下研究PP-ECC梁的抗彎性能，以此改善鋼筋混凝土梁實驗教學(xué)的不足，鍛煉和培養(yǎng)學(xué)生的動手能力。

三、PP-ECC梁抗彎性能實驗

（一）原材料

實驗中PP-ECC復(fù)合材料主要的成分為粉煤灰、水泥、水和 PP 纖維， PP 纖維的體積摻量為2%;普通混凝土的主要成分為砂子、石子、水泥、粉煤灰和聚羧酸減水劑。

（二）材料性能

參考《普通混凝土力學(xué)性能實驗方法標(biāo)準(zhǔn)》[17]和《混凝土結(jié)構(gòu)實驗方法標(biāo)準(zhǔn)》[18]，以立方體抗壓強度和棱柱體抗壓強度作為C30混凝土和PP-ECC材料的基本抗壓力學(xué)性能指標(biāo)，立方體抗壓實驗使用100 mm×100 mm×100 mm試件，棱柱體抗壓實驗使用100 mm×100 mm×300 mm試件，每組實驗設(shè)置3個試件。以初裂抗拉強度和極限抗拉強度作為PP-ECC材料的基本拉伸力學(xué)性能指標(biāo)，制作6根PP-ECC小板試件，對小板試件進行單軸拉伸試驗。

（三）試件參數(shù)及實驗方法

1.試件參數(shù)

此次實驗使用4根試件，包括2根鋼筋混凝土梁和2根PP-ECC梁，試件尺寸及配筋圖如圖1。

2.實驗方法及方案設(shè)計

使用微機控制電子萬能實驗機對試件跨中進行四點彎曲加載，具體加載裝置如圖2，加載如下。

（1）預(yù)加載：

檢查實驗設(shè)備及裝置是否安設(shè)完成，并能正常使用，加載值不超過理論開裂荷載的0.7倍。

（2）正式加載：以2 kN為差級進行等差加載，每次加載結(jié)束后持荷5～8 min，記錄試件各位置變形發(fā)展、裂縫數(shù)量、裂縫寬度及裂縫延伸高度的變化情況，并在試件上做標(biāo)識，記錄完畢后繼續(xù)加載，直至試驗梁破壞。

通過親自制備梁構(gòu)件，學(xué)生體驗試件制作的全過程，掌握材料特性及儀器使用方法，學(xué)生主觀能動性得到充分發(fā)揮。在教師的指導(dǎo)下設(shè)計實驗方案，能夠加強師生互動，培養(yǎng)學(xué)生主動思考和創(chuàng)新的意識。學(xué)生全過程參與實驗，更清楚地認(rèn)識試件的破壞形態(tài)、受力機理，鞏固專業(yè)理論知識，加深對實驗的記憶，培養(yǎng)了學(xué)生的實踐動手能力和良好的實驗素養(yǎng)[20]。

（四）工程實踐

教師在課程中播放ECC工程應(yīng)用案例，有針對性地講解，并與普通混凝土進行對比。通過展示不同工程中所遇到的問題，讓學(xué)生分小組進行分析討論，思考解決辦法。ECC因其優(yōu)異的力學(xué)和耐久性能，普遍應(yīng)用于路面鋪設(shè)、橋面連接板及橋面板、結(jié)構(gòu)抗震及修補等工程中。

（1）路面鋪設(shè)。水泥路面硬度大，在斷裂后較難清除，不易修復(fù)，而PP-ECC不會出現(xiàn)斷裂、露骨料等現(xiàn)象，且抗壓、抗折強度均高于路用混凝土，路面耐久性強。PP-ECC路面平整度好、抗疲勞性能好，廣泛用于路面鋪設(shè)工程中，如彰武縣農(nóng)村路面鋪設(shè)、遼陽市四馬煤礦試驗路段鋪設(shè)等。

（2）橋面連接板及橋面板。ECC相比普通混凝土具有多裂縫開裂和拉伸應(yīng)變能力強的特點，能夠滿足橋面連接板柔性變形和控制裂縫開展的性能要求。對于橋面板，采用ECC能夠減輕橋梁自重，提高橋梁使用壽命。國外已將ECC用于大量橋梁建設(shè)中，如日本Mihara大橋和美國密歇根州94號高速公路橋面連接板。

（3）結(jié)構(gòu)抗震及修補。ECC具有較好的韌性和耗能能力，適用于有抗震要求的結(jié)構(gòu)。ECC也可用于修補橋梁面板、路面、大壩表面裂紋等。如利用ECC對沈丹高速四臺子大橋伸縮縫進行快速修補、噴射ECC對日本Mitaka水壩的裂縫進行修復(fù)等。

在實驗和教學(xué)過程中，通過播放施工視頻、講解工程案例，讓學(xué)生了解新型材料的優(yōu)勢及應(yīng)用領(lǐng)域，開闊學(xué)生的工程視野，增強教學(xué)的實踐性與應(yīng)用性。同時，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，吸引學(xué)生的注意力，達(dá)到師生互動的課堂教學(xué)效果。學(xué)生通過分析工程問題、思考解決方法，使其思維能力和解決實際工程問題的能力得到快速提升。

四、PP-ECC梁抗彎性能實驗結(jié)果的教學(xué)分析

（一）裂縫發(fā)展分析

1.裂縫發(fā)展形態(tài)

圖3表示試件側(cè)面的裂縫分布狀態(tài)。由圖3可知，對于配筋率相同的PP-ECC梁和RC梁，在達(dá)到極限狀態(tài)時PP-ECC梁側(cè)面產(chǎn)生的裂縫數(shù)量遠(yuǎn)多于RC梁，裂縫基本對稱分布，且裂縫縫隙較小，呈現(xiàn)出多條細(xì)微裂縫的破壞模式。

2.裂縫數(shù)量及寬度發(fā)展

記錄不同級別荷載下各試件的裂縫數(shù)量和主裂縫寬度的發(fā)展情況，繪制荷載-裂縫數(shù)量關(guān)系圖和荷載-主裂縫寬度發(fā)展圖，如圖4和圖5。

從圖4可以看出，加載過程中PP-ECC梁和RC梁的裂縫數(shù)量變化呈現(xiàn)出不同的發(fā)展?fàn)顟B(tài)，且相同配筋率下的PP-ECC梁產(chǎn)生的裂縫數(shù)量最終遠(yuǎn)多于RC梁的裂縫數(shù)量。

如圖5所示，隨著荷載級別的增加，RC梁和PP-ECC梁主裂縫寬度均不斷增大，但是PP-ECC梁主裂縫寬度明顯低于相同配筋率的RC梁主裂縫寬度，滿足規(guī)范要求[19]，并且主裂縫在發(fā)展過程中不存在較為明顯的突變點，整體呈現(xiàn)出近線性發(fā)展規(guī)律。

通過對裂縫的觀察與分析，培養(yǎng)學(xué)生對實驗現(xiàn)象的對比分析和理解能力[21]，增強學(xué)生的主觀能動性，加強學(xué)生對實驗的理解。學(xué)生通過查閱資料、回顧課堂所學(xué)知識、相互討論，找出PP-ECC梁與RC梁

裂縫數(shù)量、裂縫寬度呈現(xiàn)出不同發(fā)展規(guī)律的原因，加深對理論知識的理解，提高其獨立思考、分析、解決問題的能力。實驗以PP-ECC作為新材料制作試驗梁，將傳統(tǒng)材料與新型材料相結(jié)合，不僅可以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和積極性[4]，而且還可以鍛煉其使用軟件處理實驗數(shù)據(jù)和分析實驗結(jié)果的能力。

（二）延性分析

延性是指結(jié)構(gòu)或構(gòu)件在達(dá)到極限承載力后，抵抗其變形的能力[22]，是評價結(jié)構(gòu)安全性的重要指標(biāo)。學(xué)生通過計算得出位移延性系數(shù)，對比分析各試件的延性性能可知，在配筋率相同的情況下，PP-ECC梁彎曲延性高于RC梁，學(xué)生自主討論，分析其原因。教師總結(jié)并指出其用于結(jié)構(gòu)抗震所呈現(xiàn)出的優(yōu)勢，通過多媒體向?qū)W生展示工程案例，如：日本東京Glorio Roppongi高層公寓樓中采用ECC連梁連接每層的核心墻，提高高層建筑物的抗震能力。

各組學(xué)生在整理分析、計算、對比的過程中潛能被充分挖掘，其團結(jié)協(xié)作精神明顯增強，邏輯分析和獨立思考能力顯著提升[20]。此外，各小組獨立分析實驗結(jié)果，有助于學(xué)生養(yǎng)成認(rèn)真嚴(yán)謹(jǐn)、刻苦鉆研的學(xué)習(xí)習(xí)慣，為將來從事科研和相關(guān)工作奠定良好的基礎(chǔ)。

（三）承載力分析

從表1可知，PP-ECC梁的開裂荷載、極限荷載與承載力較RC梁有一定程度的提高。

通過一系列觀察與原因分析，鍛煉了學(xué)生解決問題的能力，同時提高了學(xué)生的辯證思維能力、綜合分析能力和知識運用能力[23]。在實驗過程中，學(xué)生相互交流探討，積極性高，口頭表達(dá)能力明顯增強。

五、實驗分析與教學(xué)探索

該實驗歷經(jīng)材料制作、基本力學(xué)實驗、實驗方案制作、實驗準(zhǔn)備、抗彎試驗、數(shù)據(jù)分析、原因分析、結(jié)論整理等多個環(huán)節(jié)，邏輯清晰，體系完整，結(jié)論可靠，對于開展相同類型實驗有一定的參考價值。

該實驗將科研課題與實驗教學(xué)相結(jié)合，注重引導(dǎo)學(xué)生自主設(shè)計并完成整個實驗[21]，從多方面鍛煉了學(xué)生的動手能力和理論分析能力。

（1）課題中基體材料及配筋率是重要變量，對ECC實驗梁的性能影響較大。學(xué)生前期可查閱資料，在教師的指導(dǎo)下見證不同基體材料及配筋率對各項參數(shù)的影響，了解實驗方案各步驟的具體操作及實驗?zāi)康?。通過這種方式代替原先固定配合比混凝土的驗證性實驗，可以激發(fā)學(xué)生的好奇心，培養(yǎng)資料收集和獨立思考能力。

（2）學(xué)生通過親自參與PP-ECC梁試件和RC梁試件的制作過程，了解新材料和普通混凝土在制備上的差異，熟悉實驗操作過程，實現(xiàn)與課本知識的融會貫通。實際操作梁的彎曲加載，可使學(xué)生掌握試驗機的使用方法，了解觀測裂縫的方法、注意細(xì)節(jié)，以及梁撓度的測量方法，在鍛煉學(xué)生實踐能力的同時豐富其實驗經(jīng)驗，為日后從事工程實踐或科學(xué)研究奠定基礎(chǔ)[24-25]。

（3）結(jié)果處理和分析包括對試驗梁裂縫形態(tài)的描述和繪制、裂縫數(shù)量及寬度發(fā)展情況分析、梁的變形發(fā)展分析、延性分析及承載力分析。以上分析過程，尤其是與裂縫、變形和延性相關(guān)的指標(biāo)，學(xué)生在常規(guī)實驗教學(xué)中均難以接觸，與較為常見的坍落度、強度等指標(biāo)相比較為靈活，具有較強的邏輯性。根據(jù)不同的教學(xué)安排，實際實施過程中可選擇一個或幾個指標(biāo)供學(xué)生分析，并嘗試總結(jié)實驗現(xiàn)象，得出實驗結(jié)論。如此培養(yǎng)學(xué)生的數(shù)據(jù)分析能力、邏輯思維以及理論與實踐相結(jié)合的能力。

（4）實驗考核要將學(xué)生平時在實驗中的表現(xiàn)、實驗報告和期末實驗考核相結(jié)合。平時表現(xiàn)包括出勤率、實驗操作、課堂回答問題以及實驗室清潔整理。多樣化的考核方式可以提高學(xué)生對實驗課程的重視程度，端正學(xué)習(xí)態(tài)度，養(yǎng)成良好的學(xué)習(xí)習(xí)慣。

（5）由實驗結(jié)果可得，PP-ECC梁相比RC梁，裂縫控制及延性更好，抗彎承載力略有提高。通過實驗可以更具體地向?qū)W生展示新材料與常規(guī)材料的性能差異，開拓學(xué)生思路，培養(yǎng)與時俱進的新工科思維。

（6）將實驗與科研課題、工程案例相結(jié)合的教學(xué)方式，能有效激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)學(xué)生深入思考問題的習(xí)慣，為今后從事科研或走上工作崗位打好基礎(chǔ)。此外，引入廣受關(guān)注的工程案例，說明材料的特性及實驗方法與作用， 如：分析工程事故案例，從建筑材料的質(zhì)量、結(jié)構(gòu)之間的關(guān)聯(lián)，說明如何進行前期質(zhì)量控制、后期質(zhì)量實驗檢測等，拓寬學(xué)生的眼界，增加師生間的互動，培養(yǎng)學(xué)生的應(yīng)用能力[26]。

（7）實驗室面向?qū)W生開放，各小組學(xué)生利用課余時間走進實驗室，按照與教師共同協(xié)商制定的實驗方案，主動思考、自由分配任務(wù)，自主在課下完成實驗。這樣不僅保證了學(xué)生的主體地位、培養(yǎng)了學(xué)生的團隊合作精神，還彌補了實驗課時較少的缺陷[6]。

在此次實驗中，學(xué)生通過參與項目，進行實驗設(shè)計、操作及結(jié)果分析，使其動手能力、創(chuàng)新能力和解決工程實際問題的能力得以提升，同時具備了基本的科研素養(yǎng)、能力和自主探索意識，為查閱文獻、分析數(shù)據(jù)、撰寫論文等奠定了基礎(chǔ)。與此同時，通過引入工程實際項目，將原本抽象、分散的理論知識通過實踐串聯(lián)起來，提高了學(xué)生的感性認(rèn)識，加深了對實踐環(huán)節(jié)的了解，進而鞏固了相關(guān)專業(yè)知識，在頭腦中初步建立了較為完備的知識體系，實現(xiàn)了“知識內(nèi)化”。

六、結(jié)語

依托科研課題，以傳統(tǒng)重要實驗為基礎(chǔ)，采用“引入-組合-開放”的方法進行優(yōu)化，以PP-ECC梁抗彎性能實驗為例，對新材料用于梁式結(jié)構(gòu)的抗彎實驗教學(xué)模式進行了拓展探索，

將科研課題、工程實踐與實驗融為一體的實驗教學(xué)模式，能調(diào)動學(xué)生的主動性，提高參與度，學(xué)生由被動接受者轉(zhuǎn)變?yōu)橹鲃訉W(xué)習(xí)者。與傳統(tǒng)實驗相比，該模式

更加注重培養(yǎng)學(xué)生解決工程問題的實踐能力和獨立思考能力，讓學(xué)生初步形成了獨具個性特色的科學(xué)思維方式。此外，該模式也為其他課程實驗教學(xué)革新提供了思路，具有較好的現(xiàn)實意義和推廣價值。參考文獻：

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Exploration on the teaching of bending resistance experiment

of beam based on new materials

LI Fuhai， WU Haonan， JIANG Yilin， WANG Jiangshan， HU Dinghan ， ZHAN Yulin

（School of Civil Engineering， Southwest Jiaotong University， Chengdu 610031，P. R. China）

Abstract：

Based on the research project， taking the bending resistance of PP-ECC beam as an example， and combined with the experimental teaching of concrete beams in building materials， this paper analyzes the differences of RC beam and PP-ECC beam in crack shape， width， deformation development and bearing capacity， and summarizes and explores the new methods and new ideas of bending experiment of beam structure with new materials. The innovation and reform of beam structure experiment teaching mode， which integrates scientific research， engineering practice and experiment， is put forward. The exploration of this new mode is the optimization and supplement of traditional teaching， which can provide ideas for the innovation of experimental teaching in other courses， and is conducive to stimulating the students interest in experiments， cultivating their ability of using software to process experimental data and analyze experimental results， as well as the comprehensive ability of combining theory with engineering application.

Key words：

ECC beam; experimental teaching; scientific research project; teaching reform; bending resistance experiment

（責(zé)任編輯 梁遠(yuǎn)華）