科研反哺教學在建筑材料實驗課程中的實踐★

劉 品

(成都大學建筑與土木工程學院,四川 成都 610106)

隨著科學技術的快速發(fā)展,我國對科技、人才、創(chuàng)新的需求越來越緊迫。黨的二十大報告提出,深入實施科教興國戰(zhàn)略、人才強國戰(zhàn)略、創(chuàng)新驅動發(fā)展戰(zhàn)略[1],體現了科教融合和創(chuàng)新發(fā)展的鮮明導向。高等院校肩負著人才培養(yǎng)和科技創(chuàng)新的雙重使命。如何培養(yǎng)適應新時代的創(chuàng)新人才,成為高校需要面臨的重要任務。在國家的重點支持建設下,很多高校的科研水平有了顯著的進步,眾多領域的研究成果取得了重大突破,有力推動了我國經濟社會和科技產業(yè)的進步[2-4]。但部分高校教師在科研任務的壓力下,出現了重科研、輕教學的問題[5-7]?？萍紕?chuàng)新需要依靠人才,人才的培養(yǎng)也需要借助科學研究,二者相輔相成。教學是人才培養(yǎng)的基本形式,教育部《關于深化本科教育教學改革全面提高人才培養(yǎng)質量的意見》[8]中明確提出高校應積極推動“科研反哺教學”,要求高校教師及時將最新科研成果轉化為教學內容,探索創(chuàng)新型人才培養(yǎng)的新路徑。

近年來,隨著“一帶一路”戰(zhàn)略和西部大開發(fā)新格局的深入推進,川藏鐵路、沿江高鐵、渝昆高鐵等重大工程的建設逐步加快,對土建交通專業(yè)的人才質量有了更高的要求[9-11]。教師在講授專業(yè)基礎知識的同時,還應注重學生創(chuàng)新和實踐能力的培養(yǎng)。作為土木建筑類專業(yè)的專業(yè)基礎課,建筑材料是一門典型的“理論+實驗”課程,其中的實驗教學部分是培養(yǎng)學生運用理論知識解決實際工程問題,提升學生實踐創(chuàng)新能力的重要環(huán)節(jié)。但目前該課程的實驗內容不夠豐富,缺乏與實際工程的關聯,且教學形式比較單一,主要采用教師講解和學生按步操作的方式,學生參與探索實踐的程度較低,無法有效提升學生的創(chuàng)新能力[12]。

鑒于上述問題,本文結合當前的熱點工程問題,以高地溫隧道噴射混凝土的變形性能為例,將前期的科研成果轉化為建筑材料課程的創(chuàng)新性實驗教學資源,激發(fā)學生的學習興趣和科研熱情,提升學生的創(chuàng)新意識和綜合分析問題的能力。本文的研究內容,可為科研項目反哺該類課程的創(chuàng)新性實驗提供一定的借鑒。

1 高地溫環(huán)境噴射混凝土自由收縮試驗

1.1 研究背景

隨著新時代西部大開發(fā)戰(zhàn)略的深入實施,我國西部山區(qū)橫貫東西、縱貫南北的運輸通道建設持續(xù)推進,隨之出現的高地溫問題也十分突出。比如,正在建設的川藏鐵路穿越川西地熱異常帶和藏東地熱溫泉帶,沿線出露溫泉700余處,約有15座隧道存在高地溫問題。隧道高地溫通常表現為兩種形式:1)在富含地下水的圍巖中,熱水通過圍巖裂隙流動,將地熱傳遞到隧道內,這就形成了濕熱環(huán)境。2)在幾乎無水的圍巖中,熱傳遞發(fā)生在巖石內部,地熱通過巖石傳遞到隧道的圍巖表面,這即是干熱環(huán)境。

高地溫環(huán)境中混凝土的變形性能不同于常溫環(huán)境,特別是在干熱環(huán)境中,混凝土水分迅速散失,產生較大的干縮,早期嚴重的收縮容易造成混凝土脫粘開裂,降低支護結構的安全性和耐久性[13-16]。因此,開展高地溫隧道噴射混凝土變形性能的研究具有非常重要的意義,同時可為國家培養(yǎng)滿足重大戰(zhàn)略工程需求的技術人才。

1.2 試驗過程

為了讓學生盡快參與到試驗中,首先向學生介紹該試驗的工程背景、噴射混凝土配合比的設計依據以及自由收縮變形的測試方法。然后,讓學生總結噴射混凝土與普通混凝土配合比的差異,并參與混凝土的成型、養(yǎng)護及變形的測試,鍛煉學生的思考和動手能力。最后,指導學生對試驗數據進行處理,并嘗試用所學理論知識對試驗結果進行分析。

試驗所用原材料如表1所示,根據JGJ 55—2011普通混凝土配合比設計規(guī)程、GB 50086—2015巖土錨桿與噴射混凝土支護工程技術規(guī)范和JGJ/T 372—2016噴射混凝土應用技術規(guī)程設計隧道工程中常用的C25噴射混凝土,并通過添加減水劑調整坍落度為100 mm～120 mm。為分析溫度對噴射混凝土變形性能的影響,設置了20 ℃標準養(yǎng)護環(huán)境(20-標)、50 ℃和70 ℃濕熱環(huán)境(50-濕、70-濕)以及50 ℃和70 ℃干熱環(huán)境(50-干、70-干)五種環(huán)境工況。

表1 原材料參數

考慮到成本和實驗室內的可操作性,本文采用模筑法代替濕噴法成型混凝土試件,分析高地溫環(huán)境對混凝土變形性能的影響規(guī)律。分別利用恒溫水箱和恒溫烘箱模擬濕熱及干熱環(huán)境。參照GB/T 50082—2009普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準中混凝土收縮試驗的接觸法,測定各工況混凝土試件的初長及達到預定齡期后的長度(如圖1所示),從而可獲得各工況混凝土在不同齡期的變形值。

1.3 試驗結果

不同環(huán)境條件下各齡期混凝土試件的變形見圖2。

由圖2可知,標準養(yǎng)護環(huán)境和干熱環(huán)境下混凝土總體產生收縮變形,而濕熱環(huán)境下混凝土產生了膨脹變形。受溫度和濕度的綜合影響,7 d～45 d齡期,標養(yǎng)環(huán)境混凝土的收縮率略小于50 ℃干熱環(huán)境,而在60 d后略微反超。20-標和50-干工況混凝土的收縮率均大于70 ℃干熱環(huán)境,這是收縮與更大的熱脹綜合作用的結果。在濕熱環(huán)境中,混凝土在濕脹和熱脹共同作用下產生了膨脹變形,70-濕的膨脹率在每個齡期都高于50-濕,28 d后70-濕的膨脹率約為50-濕的2倍。

通過教師引導、學生參與的方式,整個試驗可使學生對混凝土的原材料參數、外加劑作用、配合比設計方法,以及變形性能等教材內容有更直觀深刻的理解,同時熟悉了相關規(guī)范,掌握了混凝土收縮變形的測試方法,提高了處理和分析試驗數據的能力,有效發(fā)揮了科研項目對實驗教學的反哺作用。

2 干熱環(huán)境混凝土與巖石的約束收縮試驗

2.1 方案制定

隧道工程中,噴射混凝土黏結在圍巖表面,其收縮將受到圍巖的約束作用,從而使噴射混凝土產生拉應力,而干熱環(huán)境中混凝土收縮變形較大,更容易產生界面裂縫。因此,有必要對干熱環(huán)境混凝土的約束收縮性能進行研究。

通過前期的自由收縮試驗,學生對建筑材料試驗的流程有了一定了解,為了提高學生自主創(chuàng)新的能力,本試驗讓學生主導方案設計與數據分析,教師提供建議促進試驗成功開展。

為了進一步探索抑制干熱環(huán)境混凝土收縮的措施,針對80 ℃干熱環(huán)境,學生設置了基準配合比(80-BP)、基準配合比+體積比1%的鋼纖維(80-SF)和基準配合比+體積比1%的鋼纖維+水泥質量5%的減縮劑(80-SF+SRA)三種工況。由于常用的接觸法測試收縮時需要將試件從烘箱中搬出,費時、費力且易受環(huán)境干擾,影響測量精度,而非接觸法的測定儀器在高于40 ℃的環(huán)境中無法正常工作。所以,學生經過文獻查閱、小組研討與優(yōu)化改進,設計了一種適用于干熱環(huán)境混凝土-巖石約束收縮測試的裝置,如圖3所示。將該裝置安裝在混凝土-巖石復合試件上,并放入80 ℃烘箱中養(yǎng)護。讀取千分表的初始讀數L0和齡期t時的讀數Lt,則混凝土的約束收縮率εst可通過式(1)計算。

(1)

其中,Lb為試件的測量標距。

2.2 結果分析

三種工況的試件在測點1和測點2處的約束收縮率曲線如圖4所示。

由圖4可知,80 ℃干熱環(huán)境中由于高溫引起的熱脹作用,混凝土在試驗初期表現出膨脹變形,隨著齡期增長收縮不斷增大,開始產生明顯的收縮變形,且前10天收縮快速增長,隨后增速變緩,28 d后基本趨于穩(wěn)定。摻加鋼纖維后混凝土的收縮變形顯著降低,在此基礎上摻加減縮劑后,收縮變形得到進一步抑制,28 d齡期時80-SF和80-SF+SRA在測點1的收縮率分別比80-BP降低了18.7%和44.7%。這是由于鋼纖維散布形成的纖維網格在混凝土收縮時產生的拉應力抑制了收縮變形,且鋼纖維的高導熱系數減少了溫度快速變化而產生的體積變形。而減縮劑可降低毛細孔溶液的表面張力并增大其黏度,從而減小失水時產生的收縮應力,抑制了收縮變形,且一定程度上克服了膠凝材料間的凝聚力,從而產生微膨脹抵消一部分收縮變形。對比圖4(a)和圖4(b)可知,測點1處的收縮變形明顯小于測點2處,這是由于界面處的混凝土受到了巖石的約束作用,所以距離界面越遠收縮變形越大。

為獲得收縮率與試驗齡期間的數學關系,分別采用指數、對數和雙曲線三種函數對二者進行擬合,表2給出了各工況的擬合度,可以發(fā)現指數函數的擬合效果最好,其中80-BP測點1的擬合曲線如圖5所示。

表2 各函數對約束收縮率的擬合度

通過學生主導、教師促進的方式,學生自主完成整個創(chuàng)新拓展試驗,明白了混凝土中摻加纖維材料的作用和目的,了解了減縮劑的作用機理,且提升了團隊協作、開拓創(chuàng)新的意識以及自主分析和解決問題的能力。

3 混凝土-巖石約束收縮力學模型

為提升學生在學科交叉方面的融合貫通能力,培養(yǎng)高素質復合人才,在完成約束收縮試驗的基礎上,鼓勵學生利用所學的材料力學知識建立混凝土-巖石的約束收縮力學模型。

約束收縮試件成型后,混凝土產生的收縮受到巖石的限制和約束,所以在黏結面上混凝土將產生拉力Fc(t),巖石則會產生壓力Fr(t),且易知(見式(2)):

Fc(t)=-Fr(t)

(2)

根據力的等效合成原理,混凝土和巖石截面上的應力計算公式分別見式(3),式(4):

(3)

(4)

其中,Ac和Ar分別為混凝土和巖石截面的面積;Mc(t)和Mr(t)均為截面上的彎矩;yci和yri均為距截面形心軸的距離;Ic和Ir均為截面形心主軸的慣性矩。

混凝土和巖石截面上的彎矩可由式(5),式(6)計算:

Mc(t)=Fc(t)yc0

(5)

Mc(t)=Fc(t)yc0

(6)

σc(t)=Fc(t)gci

(7)

σr(t)=Fr(t)gri

(8)

考慮混凝土收縮徐變的影響,忽略巖石的徐變,根據應力應變關系及界面處的應變協調等關系,整理可得巖石-混凝土界面的約束力計算公式見式(9):

(9)

其中,Ec(t)和Er(t)分別為混凝土和巖石的彈性模量;εc0(t)為自由收縮值;φ(t,t0)為徐變系數;χ(t,t0)為老化系數。

利用以上公式可計算得到各工況的界面約束力,如圖6所示,可以看出鋼纖維可以顯著降低界面約束力,復摻減縮劑后界面約束力進一步降低。圖7給出了80-BP工況混凝土截面上的應力分布情況,結果顯示隨著到黏結面距離的增大,混凝土拉應力逐漸減小,并逐漸從拉應力區(qū)過渡到壓應力區(qū)。

通過學科交叉、進階提升的方式,學生經過理論推導建立了約束收縮力學模型,學會了靈活應用力學知識解決實際問題,綜合能力有了顯著提升。

4 結語

本文基于教育部提出的推動“科研反哺教學”,以建筑材料課程的創(chuàng)新性實驗為研究對象,依托高地溫隧道噴射混凝土變形性能的研究課題,探索了科研反哺教學在試驗教學中的實踐方式與成效,主要結論如下:1)科研項目通過合理轉化可以為創(chuàng)新性實驗提供豐富的教學資源,能夠促進科研成果反哺本科教學,實現科研與教學的共同進步。2)“先參與,再主導”是一種有效的實驗教學方法,即:先讓學生參與基礎試驗,快速熟悉試驗背景和基本流程,再讓學生主導拓展試驗,提高自主創(chuàng)新和綜合解決問題的能力。3)實驗教學中可適當進行學科交叉,培養(yǎng)學生的融合貫通能力,促進高素質復合人才的形成。