基于创新试验培养大学生综合能力

刘 清， 高金东， 何原野

(新疆大学 建筑工程学院，新疆 乌鲁木齐 830047)



基于创新试验培养大学生综合能力

刘 清， 高金东， 何原野

(新疆大学 建筑工程学院，新疆 乌鲁木齐 830047)

混凝土配合比设计试验是土木类教学中必不可少的传统实验，忽视了学生实践和创新等综合能力的培养。自密实混凝土作为混凝土的一种新技术，在配合比设计方面与普通混凝土存在较大差别，文章分析了自密实混凝土配合比设计概念，并结合自密实混凝土配合比创新实验项目分析了大学生如何在解决新问题的过程中提高综合能力，总结了创新实验项目的成效和体会。

自密实混凝土； 创新实验； 综合能力

0 引 言

大学生创新性实验是本科生在教师的指导下，自主进行具有一定研究性的学习，提出实验研究的思路及内容、设计与实施实验方案、分析与处理实验数据、撰写学术论文等一系列过程的行为，它对于学生深刻认识理论知识的重要性、培养创新思维与实践能力、增强信心与韧性、锻炼团队合作与交流能力等综合能力的提高具有重要作用[1-8]。

混凝土配合比设计试验是土木类教学中必不可少的材料试验，具有传统实验教学的局限性。自密实混凝土作为一种高性能混凝土，其拌合物具有较为优异的工作性能，配合比设计实验与普通混凝土存在较大差异。基于笔者主持的自密实混凝土方面科研课题，本科生提出自己的想法，在笔者指导下成功申请并完成了2项大学生创新试验项目，本文将结合自密实混凝土配合比创新实验项目进行分析大学生如何在解决一系列新问题的过程中提高实践和创新等综合能力。

1 自密实混凝土配合比设计概念

自密实混凝土是具有高流动度、不离析、均匀性和稳定性，浇筑时依靠自重流动，无需振捣而达到密实的混凝土[9]。在大学生掌握的知识中，混凝土浇筑后需要进行振捣密实，而自密实混凝土作为一项新技术，了解其概念和特点后，如何实现该技术则能够较好的引起学生的兴趣，激发他们求知的欲望。因此，就必须对自密实混凝土配合比设计的概念具有清晰认识。

传统的混凝土设计中仅注重对强度计算(见图1)，对工作性能的控制较为简单。对于自密实混凝土，自密实性能是新拌自密实混凝土最重要的综合性能，属于施工性能，配合比设计必须从体积入手，同时兼顾其强度指标。因此，自密实混凝土配合比的设计分为自密实性能设计和强度设计两部分(见图2)。自密实混凝土的配合比设计并不拘泥于工作性能设计和强度设计的先后顺序，而是注重核心参数指标水粉比和水胶比能满足工作性能和强度等级的要求。

图1 普通混凝土配合比设计流程

图2 自密实混凝土配合比设计流程

在自密实混凝土胶凝材料中常掺用活性矿物掺合料，一方面可以降低自密实混凝土早期水化放热大、减少硬化混凝土收缩、提高其耐久性和体积稳定性；另一方面品种适宜的优质活性矿物掺合料可以和水泥颗粒形成良好级配，降低胶凝材料的需水量，从而改善拌合物的工作性[9-10]。掺用惰性掺合料时可增加粉体含量，抑制水化放热，保证自密实混凝土所需粉体总量。

创新实验项目成员通过指导和自主翻阅资料，初步掌握了自密实混凝土配合比的设计，在普通混凝土知识的基础上，加深了对混凝土技术的认识并很好的拓展了视野。2项创新项目主要进行了如下3部分实验：减水剂与水泥、矿物掺合料相容性实验；自密实混凝土配合比正交实验；骨料级配与粒径对自密实混凝土性能影响实验。

2 大学生自密实混凝土配合比创新实验

2.1 减水剂与水泥、矿物掺合料相容性实验

由于自密实混凝土要求具有较大的流动性、良好的粘聚性，所以需要选择减水率较高、保水性较好的优质高效减水剂。根据聚羧酸系高效减水剂具有掺量低、减水率高、混凝土强度增长快、拌合物坍落度损失小等优点，本实验的外加剂选用聚羧酸系高效减水剂。

自密实混凝土拌合物的工作性能取决于水泥浆的工作性能，但随着聚羧酸系减水剂产品的不断增多，其与水泥、矿物掺合料之间的相容性问题也越来越明显，严重影响水泥浆的工作性能[10-11]，而新疆地区对外加剂与水泥的相容性研究相对不足。如何保证水泥浆良好的工作性能以及如何为自密实混凝土配合比实验合理选择原材料是项目组成员面临的关键问题。

表1 矿物掺合料掺量 %

依据《混凝土外加剂应用技术规范》(GB 50119—2003)，项目组成员设计了减水剂与水泥和矿物掺合料之间的相容性实验。选取了新疆地区具有代表性的三种聚羧酸系高效减水剂(R112SD、R114SD、建新JX-5)，减水剂掺量范围为0.6%～0.95%。水泥浆中矿物掺合料掺量见表1，分别测水泥浆0，30，60 min流动度，图3是学生进行水泥浆流动度实验，部分结果见图4～7。

由图4和图5可知，天山水泥与R112SD的相容性较好，与R114SD次之，与JX-5较差。由图6和图7可知，当加入石粉掺量等于粉煤灰时，天山水泥与R112SD的相容性较好，与R114SD次之，与JX-5较差。

2.2 自密实混凝土配合比正交实验

影响自密实混凝土性能的主要因素有拌合用水量、矿物掺合料掺量、骨料级配及用量、砂率、外加剂掺量、水胶比等，在有限的实验经费以及时间下找出主次因素就成为配合比设计的关键。通过指导，项目组成员学习了正交设计的方法，它是在大量实践的基础上总结出来的一种科学的试验设计方法，它是用一套规格的正交表格，采用均衡分散性、整齐可比性的设计原则，合理安排试验[13-15]。

图3 相容性试验过程

图4 纯水泥浆0 min流动度

图5 纯水泥浆30 min流动度

图6 20%粉煤灰、20%石粉水泥浆的0 min流动度

图7 20%粉煤灰、20%石粉水泥浆的30 min流动度

项目成员以矿物掺合料掺量、水胶比、砂率、外加剂掺量为主要的因素，设计了4因素、3水平(见表2)的自密实混凝土配合比正交试验，以研究各个因素对自密实混凝土的工作性能、力学性能的影响顺序。

表2 因素水平表

在工作性能检测中，普通混凝土只进行坍落度试验，而自密实混凝土可采取的方法主要有：坍落扩展度试验、T50、J环试验、L型仪、U型仪、V型漏斗试验等。考虑到现有实验条件，学生最终采用坍落扩展度试验和V型漏斗试验，如图8。各因素对自密实混凝土性能的影响见图9～12。由图可知：

(1)利用乌鲁木齐地区的原材料适合配置本课题需要的自密实混凝土，且最佳配合比为矿物掺合料(60%C+20%f+20%S)+水胶比(0.30)+砂率(54%)+减水剂掺量(1.0%)；

(2)利用正交试验的极差分析法得出：①矿物掺合料掺量是影响混凝土坍落度、扩展度和V型漏斗时间的最主要因素，水胶比为第二主要因素；②水胶比是影响自密实混凝土3 d强度、7 d强度及28 d强度的最主要因素，矿物掺合料掺量为第二主要因素；

(3)在复合掺和料中石粉有促进早期强度作用。

2.3 粗骨料形状指数与级配对自密实混凝土性能影响实验

通过本科阶段《土木工程材料》课程的学习，项目组成员初步掌握了普通混凝土中粗骨料的相关知识。粗骨料是混凝土的主要组分之一。粗骨料的形状指数(一批粗骨料的几何形状特征)具有较大差异，颗粒形状决定着堆实的程度，也影响着骨料与水泥石的粘结，进而影响混凝土的强度。此外，骨料的级配也对混凝土拌合料的工作性能产生很大影响，进而影响混凝土的强度、变形性能等。级配分为连续级配和间断级配，连续级配的颗粒级差小，配制的新拌混合物和易性好，被工程广泛采用；间断级配的颗粒级差大，空隙率的降低比连续级配快的多，可最大限度地发挥骨料的骨架作用，减少水泥用量。

图8 正交实验工作性能检测

图9 因素的工作性能趋势图

图10 因素的3天强度趋势图

图11 因素的7天强度趋势图

图12 因素的28天强度趋势图

而在同强度等级下，单位体积自密实混凝土的粗骨料含量小于普通混凝土。考虑拌合物的钢筋通过性，要求粗骨料的最大粒径也小于普通混凝土。在自密实混凝土配合比设计中如何考虑新疆地区粗骨料形状指数和级配的影响是项目组成员面临的新问题。

项目组成员分别进行了粗骨料颗粒级配和粗骨料形状指数对自密实混凝土性能的影响实验，见图13。将粗骨料分为5～10 mm(大石子)和10～20 mm(小石子)2种级配，选择性调整每组粗骨料中不同级配的比例(大石子∶小石子=6∶5、5∶5和4∶6)，得到自密实混凝土性能最佳的大小石子比例，再人为的调整每份粗骨料针片状颗粒和圆滑颗粒的含量，计算3组不同的粗骨料形状指数，得到自密实混凝土性能最佳的粗骨料形状指数。部分实验结果见图14～17。

图13 学生实验过程

主要结论：① 大石子所占比例为50%(大石子∶小石子=5∶5)时，自密实混凝土的工作性能和力学性能均为最好。② 自密实混凝土工作性能不会随着形状指数的增长而规律性增长。③ 28 d抗压强度随着形状指数增大而减小。

图14 坍落度与不同比例粗骨料曲线

图15 28天强度与不同比例粗骨料曲线

图16 坍落度与形状指数曲线

图17 28 d强度与形状指数曲线

3 创新实验效果

近3年，获土木工程大学生已完成国家级大学生创新项目1项((C60自密实混凝土配合比的试验研究)和校级重点项目1项(粗骨料形状指数、级配对自密实混凝土性能影响的实验研究))。其中，国家级大学生创新项目发表1篇学术论文《三种聚羧酸系外加剂与水泥及矿物掺合料的相容性对比研究》，并且一名成员通过创新实验的锻炼后推免本校研究生，继续参与自密实混凝土方向的研究，期间发表学术论文2篇并在撰写硕士研究生毕业论文《冻融循环对新疆地区自密实混凝土的影响研究》；校级重点项目完成1篇学术论文《粗骨料(卵石)对自密实混凝土性能影响试验研究》(已收录)，在结题中被评为优秀，项目主持人即将就读本校研究生。

4 结 语

通过参与自密实混凝土配合比创新实验，项目成员的科学思维能力、设计能力、实践能力和沟通协调能力等综合能力得到有效地提升，也加深理论知识的理解。同时，自密实混凝土配合比创新实验也将笔者主持的科研项目融入到教学中，有效地解决了进行自密实混凝土科研讲座时学生对科研理解不深刻的现象。

由于参与的学生数量有限，不能使大多数学生得到锻炼和提升，应进一步鼓励大学生积极参与创新实验项目，或找到一种科研融入教学的新方式。笔者曾尝试在土木类实验教学中用自密实混凝土配合比实验取代普通混凝土配合比实验，发现也能在一定程度上提高学生的综合能力，该方式具有一定的可行性值得进一步完善。

[1] 熊宏齐,戴玉蓉,郑家茂. 实验教学改革与实验室建设规划的研究与实践[J]. 实验技术与管理,2008(10):1-4，8.

[2] 赵希文,李 旦,朱 宁. 大学生创新性实验计划与高校课程改革[J]. 中国大学教学,2008(12):8-10.

[3] 冯 林,张 崴. “质量工程”视角下的大学生创新性实验计划[J]. 实验室研究与探索,2008(6):27-29.

[4] 赵希文,吴菊花,燕 杰. 大学生创新能力训练体系与方法[J]. 实验室研究与探索,2010(10):67-69，84.

[5] 温喜宝. 大学生创新性实验计划的开展与研究[J]. 实验室研究与探索,2009(4):5-7，117.

[6] 任良玉,张吉维. 本科创新人才培养的制度环境和文化环境——以“国家大学生创新性实验计划”实施为例[J]. 清华大学教育研究,2009(3):108-113.

[7] 王春潮,徐跃进,王平祥. 强化实践推进大学生创新性实验计划[J]. 实验室研究与探索,2009(6):7-10.

[8] 陈 鹏,李 亚,纪 婧. 依托实验课程的大学生创新性实验计划的实践与探索[J]. 实验技术与管理,2014(4):32-34，37.

[9] CECS203:2006,自密实混凝土应用技术规程[S]．

[10] 刘数华，冷发光，李丽华.混凝土辅助胶凝材料[M].北京：中国建材工业出版社，2010.

[11] 安同富,刘建江,王永芳,等. 聚羧酸外加剂与水泥适应性试验研究[J]. 混凝土,2006(4):34-39.

[12] 艾红梅,卢洪正,孔靖勋. 水泥与聚羧酸系减水剂相容性的研究进展[J]. 混凝土,2014(9):79-81.

[13] 王 莹. 正交试验法在C50自密实混凝土配合比设计中的应用[J]. 江西建材,2014(12):263-266.

[14] 刘瑞江,张业旺,闻崇炜,等. 正交试验设计和分析方法研究[J]. 实验技术与管理,2010(9):52-55.

[15] 李 宁，叶燕华，陈丽华，葛海蓉.自密实混凝土正交试验及工作性能测试方法研究[J].混凝土,2011(10):93-95.

Cultivation of University Students’ Comprehensive Ability Based on the Innovative Test

LIUQing，GAOJin-dong，HEYuan-ye

(College of Architectural and Civil Engineering， Xinjiang University， Urumqi 830047， China)

As an essentially traditional experiment in civil major teaching, the mixing proportion design of concrete ignores the cultivation of students' comprehensive ability such as practice and innovation. As a new concrete technology, self-compacting concrete has a big difference from ordinary concrete. The paper analyzes the mixing proportion design concept of self-compacting concrete, and present method to improve college students' comprehensive ability combined with the mixing proportion innovative design of self-compacting concrete. Moreover, the paper summarizes the results and experience of innovative experimental projects.

self-compacting concrete； innovative test； comprehensive ability

2015-01-16

国家自然科学基金资助项目(51368057)；新疆维吾尔自治区区级精品课程资助；国家大学生创新试验计划项目资助(101075525)；国家级大学生创新创业训练计划项目(XJU-SRT-13173)

刘 清(1961-)，男，锡伯族，新疆乌鲁木齐人，硕士，教授，硕士生导师，从事土木工程的教育与科研工作。

Tel.:13109915981；E-mail：LiuQing2666@163.com

G 642.0

A

1006-7167(2016)01-0141-05