基于PBL的混凝土動(dòng)態(tài)壓縮性能實(shí)驗(yàn)教學(xué)研究

陳猛

摘? 要：為了提高土木工程專(zhuān)業(yè)學(xué)生對(duì)混凝土動(dòng)態(tài)力學(xué)性能和損傷機(jī)理的認(rèn)識(shí)，在培養(yǎng)方案中開(kāi)設(shè)混凝土動(dòng)態(tài)壓縮性能實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。文章介紹了教學(xué)目標(biāo)和基于PBL的教學(xué)設(shè)計(jì);闡述了霍普金森壓桿（SHPB）設(shè)備組成和測(cè)試原理，以C60混凝土動(dòng)態(tài)壓縮性能實(shí)驗(yàn)為例，介紹實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、試件制備和結(jié)果分析。教學(xué)結(jié)果表明，基于PBL模式的實(shí)驗(yàn)教學(xué)可以有效提升學(xué)生的實(shí)踐操作、理論應(yīng)用和創(chuàng)新意識(shí)等方面的能力。

關(guān)鍵詞：混凝土;動(dòng)態(tài)性能;實(shí)驗(yàn)教學(xué);PBL （Problem-Based Learning）;霍普金森壓桿（SHPB）

中圖分類(lèi)號(hào)：G642? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ? 文章編號(hào)：2096-000X（2021）17-0084-04

Abstract： In order to improve civil engineering students' understanding about dynamic mechanical properties and damage mechanism of concrete， experiment on dynamic compressive properties of concrete is added to the training program. This paper introduces the teaching goal and teaching design based on PBL， and expounds the composition and testing principle of split Hopkinson pressure bar （SHPB） equipment. The experimental design， specimen preparation and result analysis are introduced by taking the dynamic compressive performance of C60 concrete for example. The teaching results show that the experimental teaching based on PBL model can effectively improve students' ability in practical operation， theoretical application and innovative consciousness.

Keywords： concrete; dynamic property; experimental teaching; PBL （Problem-Based Learning）; split Hopkinson pressure bar （SHPB）

實(shí)驗(yàn)教學(xué)是土木工程專(zhuān)業(yè)學(xué)生培養(yǎng)目標(biāo)達(dá)成的重要環(huán)節(jié)。實(shí)驗(yàn)教學(xué)可以提高學(xué)生工程素養(yǎng)、實(shí)踐能力和創(chuàng)新意識(shí)[1]。PBL （Problem-Based Learning）教學(xué)模式應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程中，可以將教學(xué)目標(biāo)中的實(shí)際問(wèn)題作為學(xué)生學(xué)習(xí)的動(dòng)力，讓學(xué)生圍繞具體問(wèn)題進(jìn)行主動(dòng)學(xué)習(xí)[2]，思考問(wèn)題相關(guān)的基礎(chǔ)知識(shí)，激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新思維和學(xué)習(xí)興趣，提高學(xué)生溝通協(xié)作和解決實(shí)際問(wèn)題的能力。

土木工程材料和結(jié)構(gòu)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)可以將理論知識(shí)與工程實(shí)踐緊密結(jié)合，拓展學(xué)生理論聯(lián)系實(shí)際的能力，加深學(xué)生對(duì)材料和結(jié)構(gòu)損傷危害的理解。傳統(tǒng)土木工程實(shí)驗(yàn)教學(xué)中主要針對(duì)混凝土的靜態(tài)力學(xué)性能開(kāi)展實(shí)驗(yàn)，隨著國(guó)家基礎(chǔ)建設(shè)的發(fā)展，工程的設(shè)計(jì)中需要考慮防自然災(zāi)害（滑坡、泥石流等）、防武器打擊、工程擾動(dòng)引起的巖爆等動(dòng)態(tài)沖擊荷載的影響[3-5]，因此在培養(yǎng)方案中設(shè)置混凝土類(lèi)材料動(dòng)態(tài)力學(xué)性能的教學(xué)環(huán)節(jié)，可以有效訓(xùn)練學(xué)生掌握沖擊荷載下材料及結(jié)構(gòu)損傷理論，具備工程的科學(xué)防護(hù)思維。

利用霍普金森壓桿（SHPB）實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，以土木工程材料實(shí)驗(yàn)中的混凝土配合比設(shè)計(jì)和立方體抗壓強(qiáng)度測(cè)試為基礎(chǔ)，開(kāi)設(shè)混凝土動(dòng)態(tài)力學(xué)性能實(shí)驗(yàn)。在實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計(jì)中應(yīng)用PBL教學(xué)模式，貫徹OBE教學(xué)理念，著重訓(xùn)練實(shí)驗(yàn)原理和操作方法，在教學(xué)過(guò)程中持續(xù)改進(jìn)教學(xué)方法，增強(qiáng)學(xué)生對(duì)混凝土動(dòng)態(tài)壓縮性能和損傷模式的理解。

一、基于PBL的教學(xué)設(shè)計(jì)

（一）教學(xué)目標(biāo)

通過(guò)混凝土動(dòng)態(tài)壓縮性能實(shí)驗(yàn)訓(xùn)練學(xué)生對(duì)混凝土材料動(dòng)力特性和損傷規(guī)律的認(rèn)識(shí)，以解決動(dòng)態(tài)壓縮性能測(cè)試和數(shù)據(jù)分析問(wèn)題為目標(biāo)，回顧土木工程材料課程中的混凝土配合比設(shè)計(jì)、制備及養(yǎng)護(hù)方法、混凝土靜態(tài)抗壓強(qiáng)度測(cè)試及數(shù)據(jù)分析等基本知識(shí);讓學(xué)生掌握SHPB測(cè)試動(dòng)態(tài)壓縮性能的基本原理和操作方法，熟悉應(yīng)力波的相關(guān)知識(shí)，直觀展示混凝土類(lèi)材料的應(yīng)變率效應(yīng)、動(dòng)態(tài)損傷模式，加深對(duì)動(dòng)態(tài)沖擊作用機(jī)理的理解。

（二）教學(xué)內(nèi)容設(shè)計(jì)

基于PBL教學(xué)模式進(jìn)行混凝土動(dòng)態(tài)壓縮性能實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計(jì)，以混凝土動(dòng)態(tài)壓縮性能的測(cè)試原理和方法為核心問(wèn)題，拓展混凝土靜態(tài)和動(dòng)態(tài)抗壓性能的對(duì)比，讓學(xué)生重點(diǎn)掌握混凝土類(lèi)材料的應(yīng)變率效應(yīng)特征?；仡櫥炷亮⒎襟w抗壓強(qiáng)度測(cè)試方法、試件尺寸效應(yīng)、數(shù)據(jù)分析等知識(shí)，引導(dǎo)學(xué)生探索實(shí)驗(yàn)操作方法、應(yīng)變測(cè)試原理、動(dòng)態(tài)抗壓強(qiáng)度計(jì)算方法等知識(shí)。

二、混凝土動(dòng)態(tài)壓縮性能實(shí)驗(yàn)

（一）SHPB實(shí)驗(yàn)設(shè)備

分離式霍普金森壓桿（見(jiàn)圖1）主體結(jié)構(gòu)包括撞擊桿、入射桿、透射桿和吸收桿，長(zhǎng)度分別為600mm、5000mm、3500mm、1200mm，材料為高強(qiáng)度合金鋼，直徑均為100mm。附屬設(shè)備包括發(fā)射裝置、測(cè)速裝置、緩沖裝置和應(yīng)變信號(hào)采集裝置。調(diào)整氮?dú)鈮毫妥矒魲U深度，可以測(cè)試混凝土在不同應(yīng)變率下的抗壓性能。

（二）實(shí)驗(yàn)原理

充氣裝置達(dá)到設(shè)定氣壓后，開(kāi)動(dòng)閥門(mén)，迅速釋放的氮?dú)怛?qū)動(dòng)撞擊桿撞擊入射桿，在入射桿中產(chǎn)生壓縮應(yīng)力波，稱(chēng)為入射波（？著i（t））。入射波在入射桿與試件的接觸面產(chǎn)生反射的拉伸波即反射波（？著r（t）），同時(shí)向試件傳播并進(jìn)入透射桿，稱(chēng)為透射波（？著t（t））。在入射桿和透射桿距試件端部2500mm處分別粘貼電阻應(yīng)變片用于實(shí)時(shí)記錄波形數(shù)據(jù)。

基于一維波在彈性桿中的傳遞理論和應(yīng)力均勻性假定[6]，為保證測(cè)試過(guò)程中試件兩端的應(yīng)力均勻，在入射桿的沖擊表面粘貼直徑50mm、厚度2mm的橡膠墊片用于波形整形。橡膠墊片可以通過(guò)受到?jīng)_擊后的塑性變形削弱波的震蕩，減弱試驗(yàn)中的彌散效應(yīng)[7]。入射波與反射波疊加后約等于透射波，表明試驗(yàn)中達(dá)到了應(yīng)力均勻[8]，即

在滿(mǎn)足應(yīng)力波一維傳播假定與試件應(yīng)力平衡的條件下，選擇三波法對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，動(dòng)態(tài)應(yīng)力？滓s（t），動(dòng)態(tài)應(yīng)變？著s（t）和應(yīng)變率s（t）計(jì)算公式為

（2）

其中E表示桿的彈性模量（MPa）;A0代表?xiàng)U的橫截面積（mm2）;AS為試件的橫截面積（mm2）;C0代表的是桿中彈性波波速（m/s）;ls代表試件厚度（mm）。

（三）試件制備

采用P.Ⅰ.42.5水泥作為膠凝材料。細(xì)骨料采用比重2.56，最大粒徑4.75mm的天然河砂。粗骨料由粒徑在5～10mm范圍的花崗巖碎石混合而成。加入聚羧酸高效減水劑用于提高混凝土的流動(dòng)性，混凝土配合比見(jiàn)表1。

按照配合比將水泥、粗骨料、細(xì)骨料倒入攪拌機(jī)中干拌1分鐘，之后加入水和減水劑攪拌不少于2分鐘。攪拌完成后，迅速將混凝土拌合物倒入模具（邊長(zhǎng)為150mm的立方體和直徑100mm、高度50mm的圓柱體）中，放置在振動(dòng)臺(tái)上振搗直至表面浮漿泛起。振搗完成放置24小時(shí)后脫模，放入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室（溫度20±2℃，相對(duì)濕度95%以上）養(yǎng)護(hù)至28d。實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)及試件數(shù)量見(jiàn)表2。對(duì)養(yǎng)護(hù)好的圓柱體試件進(jìn)行端面磨平，保證試件兩端面不平行度誤差不大于0.1mm，端面與軸線的偏差不大于0.25°。

注：靜態(tài)抗壓強(qiáng)度采用邊長(zhǎng)150mm的立方體試件，動(dòng)態(tài)壓縮性能采用直徑100mm、高度50mm的圓柱體試件。

（四）實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

1. 破壞形態(tài)

圖2為不同應(yīng)變率下混凝土的沖擊破壞形態(tài)。隨著應(yīng)變率的增加，試件中微裂紋和宏觀裂紋增多，碎塊數(shù)量增多。當(dāng)平均應(yīng)變率為58.6s-1時(shí)，試件周?chē)霈F(xiàn)張應(yīng)變破壞，混凝土內(nèi)部裂紋逐漸發(fā)育，試件出現(xiàn)邊緣裂開(kāi)和脫落破壞;當(dāng)平均應(yīng)變率為75.6s-1時(shí)，混凝土試件周邊破碎，中間部分保持完整，即留芯破壞形態(tài);當(dāng)平均應(yīng)變率大于99.2s-1時(shí)，試件破碎成松散的顆粒，表現(xiàn)為整體破壞，隨著應(yīng)變率增大，碎塊尺寸減小。

2. 應(yīng)變率的影響

混凝土在平均應(yīng)變率為37.8s-1、58.6s-1、75.6s-1、99.2s-1、111.7s-1、123.5s-1時(shí)的應(yīng)力應(yīng)變曲線見(jiàn)圖3，峰值應(yīng)力分別為39.2MPa、74.7MPa、78.3MPa、91.2MPa、99.1MPa、113.9MPa。不同應(yīng)變率下的應(yīng)力應(yīng)變曲線呈現(xiàn)出相同的變化特征，即在初始上升階段為線彈性階段，之后為彈塑性應(yīng)變強(qiáng)化段，此時(shí)混凝土中的微裂紋開(kāi)始產(chǎn)生并擴(kuò)展。在達(dá)到峰值應(yīng)力后，應(yīng)力應(yīng)變曲線呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，進(jìn)入軟化階段，混凝土裂紋進(jìn)一步擴(kuò)展，最后混凝土發(fā)生破壞[9]。

混凝土動(dòng)態(tài)抗壓強(qiáng)度隨應(yīng)變率的增大而增大。平均應(yīng)變率從37.8s-1增至123.5s-1，動(dòng)態(tài)抗壓強(qiáng)度提升了190.6%，表明混凝土動(dòng)態(tài)抗壓強(qiáng)度具有明顯的應(yīng)變率效應(yīng)，原因是試件接觸面的橫向慣性效應(yīng)在動(dòng)態(tài)沖擊試驗(yàn)中引起抗壓強(qiáng)度上升。同時(shí)，由于高速?zèng)_擊下系統(tǒng)的能量平衡原理[10]，混凝土裂縫產(chǎn)生所需要的能量遠(yuǎn)高于混凝土裂縫擴(kuò)展所需要的能量[11]，在高應(yīng)變率作用下，微裂紋的數(shù)量迅速增加，而混凝土內(nèi)部沒(méi)有足夠時(shí)間積累能量來(lái)抵抗變形，只能通過(guò)增加內(nèi)部應(yīng)力從而增強(qiáng)能量吸收來(lái)抵抗沖擊[12]。

DIF（Dynamic Increase Factor）為混凝土動(dòng)態(tài)抗壓強(qiáng)度與靜態(tài)抗壓強(qiáng)度的比值，靜態(tài)抗壓強(qiáng)度為67.3MPa。當(dāng)平均應(yīng)變率為37.8s-1時(shí)，DIF小于1，原因是在較低應(yīng)變率下混凝土內(nèi)部不能產(chǎn)生足夠的微裂紋，無(wú)法耗散較多能量[13]。當(dāng)應(yīng)變率高于37.8s-1時(shí)，DIF大于1，此時(shí)混凝土動(dòng)態(tài)抗壓強(qiáng)度大于靜態(tài)抗壓強(qiáng)度。同時(shí)混凝土的DIF隨著應(yīng)變率的增加而增加，這是因?yàn)樵诟邞?yīng)變率作用下混凝土動(dòng)態(tài)抗壓強(qiáng)度在逐漸增加。

三、學(xué)生能力培養(yǎng)

實(shí)驗(yàn)教學(xué)是土木工程類(lèi)學(xué)生培養(yǎng)的重要環(huán)節(jié)，基于PBL教學(xué)模式科學(xué)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容和操作環(huán)節(jié)，可以有效提升學(xué)生的實(shí)踐操作、理論應(yīng)用和創(chuàng)新意識(shí)等方面的能力。

（一）實(shí)踐操作能力培養(yǎng)

利用SHPB裝置對(duì)混凝土進(jìn)行動(dòng)態(tài)沖擊壓縮性能測(cè)試，圍繞混凝土動(dòng)態(tài)壓縮性能開(kāi)展實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備，讓學(xué)生從混凝土配合比設(shè)計(jì)入手，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、試件制備、靜態(tài)及動(dòng)態(tài)壓縮性能測(cè)試和數(shù)據(jù)分析等工作，訓(xùn)練學(xué)生組內(nèi)分工協(xié)作，鼓勵(lì)學(xué)生積極參與實(shí)驗(yàn)過(guò)程，提高學(xué)生學(xué)習(xí)主動(dòng)性。

（二）理論應(yīng)用能力培養(yǎng)

在混凝土動(dòng)態(tài)沖擊壓縮實(shí)驗(yàn)中涉及SHPB測(cè)試原理、應(yīng)力波理論、混凝土動(dòng)態(tài)損傷機(jī)理和動(dòng)態(tài)本構(gòu)關(guān)系分析等知識(shí)，結(jié)合實(shí)驗(yàn)測(cè)試原理和采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行結(jié)果分析。強(qiáng)化學(xué)生對(duì)材料宏觀損傷和力學(xué)機(jī)理認(rèn)識(shí)，理解應(yīng)力應(yīng)變曲線反映的混凝土動(dòng)態(tài)本構(gòu)關(guān)系。在實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程中培養(yǎng)學(xué)生牢固掌握基礎(chǔ)理論，并能在實(shí)踐過(guò)程中靈活運(yùn)用，達(dá)到理論與實(shí)踐的有機(jī)結(jié)合。

（三）創(chuàng)新思維培養(yǎng)

混凝土類(lèi)材料的動(dòng)態(tài)力學(xué)性能是工程防護(hù)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)[14]，引導(dǎo)學(xué)生積極思考動(dòng)態(tài)力學(xué)性能的影響因素并科學(xué)控制材料的動(dòng)態(tài)力學(xué)性能。對(duì)不同實(shí)驗(yàn)小組設(shè)定實(shí)驗(yàn)變量，讓學(xué)生了解混凝土強(qiáng)度、水灰比、砂率和骨料性能等對(duì)混凝土動(dòng)態(tài)沖擊壓縮性能的影響。拓展圍壓狀態(tài)下混凝土的動(dòng)態(tài)壓縮性能分析，啟發(fā)學(xué)生思考混凝土動(dòng)態(tài)劈裂抗拉性能實(shí)驗(yàn)的操作方法和基本原理。從材料自身特點(diǎn)和加載狀態(tài)等方面訓(xùn)練學(xué)生創(chuàng)新思維，培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力。

四、結(jié)束語(yǔ)

（1）混凝土的動(dòng)態(tài)力學(xué)性能關(guān)系沖擊荷載下工程結(jié)構(gòu)的安全性，培養(yǎng)土木工程專(zhuān)業(yè)學(xué)生科學(xué)測(cè)試和分析混凝土的動(dòng)態(tài)沖擊壓縮性能具有重要工程意義?；赑BL教學(xué)模式設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容，學(xué)生可以較好地掌握實(shí)驗(yàn)原理和基本操作。

（2）對(duì)比分析混凝土動(dòng)態(tài)和靜態(tài)壓縮性能，可以強(qiáng)化學(xué)生掌握混凝土的應(yīng)變率效應(yīng)規(guī)律，分析動(dòng)態(tài)損傷機(jī)理，理解動(dòng)態(tài)本構(gòu)關(guān)系。

（3）混凝土動(dòng)態(tài)壓縮性能實(shí)驗(yàn)教學(xué)可以拓展學(xué)生對(duì)應(yīng)力波、SHPB測(cè)試原理和材料損傷機(jī)理等方面的理解，通過(guò)實(shí)驗(yàn)課程可以訓(xùn)練學(xué)生的實(shí)踐操作、理論應(yīng)用和創(chuàng)新思維等能力。

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