基于科研资源的土木工程材料实验教学拓展探索

王圣程, 禄利刚, 张 朕, 高 嵩

(徐州工程学院 土木工程学院, 江苏 徐州 221018)

著名教育家杜威曾强调学习是基于教师指导下的发现,而不是信息的传递[1]。现代本科教学,旨在通过教学、研究与实践的结合,引导学生灵活运用已学的知识,并发现新知识,从而培养具有创新精神和实践能力的应用型人才[2-3]。土木工程材料是土木工程类专业一门必修专业基础课,为后续的专业课的学习及将来从事土木工程建设工作正确选择与使用材料奠定一定的理论基础[4]。由于教师个人科研资源有限,土木工程材料的课程教学改革主要是针对课程内容和教学方法的研究[5-7],无法将教学内容与科研资源或实际工程问题相结合。教师的教学与科研呈正相关, 但教学对科研的促进作用小于科研对教学的促进作用[8]。从已有或正在进行的科研资源中提炼出贴近土木工程材料教学内容的拓展性实验课题,不但能充实实验教学内容,而且学生通过“科研—实验—拓展—辩证—工程”的一体化训练过程,能对土木工程材料的课程知识有更深层次的理解和认识[9],有助于提高教学质量。本文以机场混凝土道面强度等级对破坏的影响为例阐述科研资源教学内容化这一模式。

1 机场混凝土道面科研资源提炼实验课题

物质破坏的本质是能量驱动下的状态失稳[8]。实际上,在各种土建工程中,对混凝土材料扰动、侵蚀、冻融和碳化等无一不是伴随着能量的输入、积聚、耗散及释放。而受载混凝土的变形劣化及修复加固过程均是能量转化和转移的过程。从能量的角度研究混凝土的劣化规律,更接近其破坏本质。以机场混凝土道面为例,其破坏则是达到强度极限时内部积聚的弹性变形能急剧释放的结果。机场道面设计时,要保证有足够的结构强度,在预定的使用年限内能承受飞机荷载的多次重复作用,而不出现威胁安全或影响使用的结构损坏。机场道面的等级不同,则其道面结构强度不同。因此,详细分析不同强度等级机场道面劣化过程中的能量演化规律,可以更好地为机场道面工程服务。

机场混凝土道面的强度等级的确定对后期民用飞机起降安全都会产生重要的影响。针对道面的强度等级,结合土木工程材料课程中混凝土质量控制和配合比设计的知识,选择 C30、C45和 C60混凝土作为机场道面的模拟强度等级,使学生不但学会设计混凝土的配合比,还能体会到配合比的适配、调整与确定。在力学加载实验过程中获得不同强度混凝土的基本力学参数,拓展引入能量计算方法和冲击能,用于分析混凝土强度对其破坏的影响,进而对机场道面管理提出建议。

2 混凝土基本力学实验及能量演化分析

实验系统采用电子万能实验机。水泥混凝土试件尺寸Φ50 mm×100 mm。通过磨片机研磨,确保试件上下表面平行度小于0.05 mm、表面平面度小于0.02 mm。每组2个试样。学生经过混凝土配合比计算、调整及确定得出本实验用混凝土配比,见表1。

表1 混凝土配合比设计参数

2.1 混凝土的单轴加载实验

图1为C30、C45和C60试样的应力—应变曲线。

图1 单轴压缩下混凝土试样的应力-应变曲线

C30、C45和C60试件的抗压强度分别为34.48、47.73和61.46 MPa,其对应的应变分别为0.782×10-2、0.734×10-2和0.638×10-2,弹性模量分别为4.41、6.51和9.61 GPa。这说明C30、C45和C60试样的刚度、脆性、相对抵抗变形和破坏的能力逐步提高,而相对韧性逐渐降低。

2.2 混凝土破坏过程的能量演化分析

从微观力学的角度,混凝土劣化破坏是一个损伤演化的过程,主要体现在微裂隙[10]。随着微裂隙的发育扩展,需要吸收部分能量以满足需要,这称之为耗散能。另一部分吸收的能量以弹性变形存储起来,成为弹性能。谢和平等指出物体变形破坏是能量耗散与能量释放的综合结果[11]。如果忽略岩石与周围环境的热交换,那么根据热力学第一定律,吸收能等于弹性能与耗散能之和，见式(1)。鉴于弹性能的可逆性,吸收能、弹性能、耗散能可以通过应力—应变曲线计算得出,如图2所示。吸收能密度、弹性能密度和耗散能密度由式(2)、(3)和(4)计算得出[12]。式中,E是水泥混凝土吸收能密度；Ee弹性能密度；Ed为耗散能密度。

E=Ee+Ed

(1)

(2)

(3)

Ed=E-Ee

(4)

图2 应力—应变曲线上弹性能与耗散能的关系

由于卸载实验没有进行,根据弹性能的可逆性,采用初始弹性模量代替卸载弹性模量计算弹性能量密度[13]。根据试样的加载应力—应变曲线,可以得出混凝土吸收能、弹性能和耗散能随应力比率变化的曲线,如图3所示。从图3中可以看出,C30、C45和C60试样加载的能量演化模式相似,弹性能密度和耗散能密度都是随着加载应力的增加先缓慢增加后快速增加；在加载过程中,3种试样的弹性能密度大于耗散能密度；C45的吸收能量密度、弹性能密度和耗散能密度均大于C30试样的能量特征值,而均小于C60试样。

图3 混凝土试件能量演化曲线

2.2.1 混凝土强度对弹性能密度的影响

根据能量演化理论,以弹性变形储存在物质内部的弹性能对诱发破坏起到了重要作用；弹性能越大,物体破坏所需要的能量越多。弹性能密度的峰值极限值为物体储能极限,用来表征物质积聚弹性变形能的能力[12]。储能极限越大,通常具有更好的结构和力学性能,越不易受到能量驱动而破坏。如图4所示,3种混凝土试样的弹性能密度随应力比率非线性增加；在加载的初始阶段,弹性能密度逐渐增加；随着应力比例的增加,弹性能密度增量增大。在相同的应力比率下,试样的弹性能密度总是呈现:C60>C45>C30。例如当应力比率为65%时,C60试样的弹性能密度是C45试样的1.37倍,C45试样的弹性能密度是C30试样的1.56倍。值得注意的是,混凝土的强度越大,其储备弹性能的能力越强。C30、C45和C60的弹性能储存极限分别为0.173、0.231和0.356 MJ/m3。

图4 弹性能密度随应力比率变化曲线

2.2.2 混凝土强度对耗散能密度的影响

由热力学定律可知,能量耗散是物质变形破坏的本质属性,它反映了物质内部微裂隙的不断发展、强度不断弱化并最终丧失的过程[10]。因此,能量耗散与损伤和强度丧失直接相关,耗散量反映了原始强度衰减的程度。在混凝土加载过程中,更多的微裂隙在混凝土破坏前产生。图5为混凝土试样的耗散能密度与应力比率的关系。从图5中可以看出,在应力加载的初始阶段,耗散能密度随应力的增加略有增长；当应力比率为70%～80%时,由于混凝土试样的微裂隙扩展发育处于不稳定状态,且微裂隙明显增多,进而耗散能密度随应力比率的增加而大幅度增长。当应力比率为100%时,C30、C45和C60试样的耗散能密度分别为0.042 5、0.056 3和0.105 MJ/m3；C45和C60试样的耗散能密度分别是C30试样的1.32倍和2.47倍。可见,高强度的混凝土能减缓其微裂隙的产生而引发劣化的进程。换言之,强度越高的混凝土,在其破裂时需要的耗散能更多。

图5 耗散能密度随应力比率变化曲线

2.3 强度对混凝土劣化破坏的辩证分析

混凝土的劣化破坏是能量驱动的结果,其能量演化特征与其发生劣化破坏的危险性是密切相关的。为了研究强度对混凝土破坏危险性的影响,此处引入冲击能指标,定义为峰值前后应力—应变曲线下的面积之比,即混凝土峰值强度前储存的能量与峰值后稳定破坏所需要的能量之比。如图2所示,Ke=E/Es,其值越大,表示混凝土突然劣化的危险性越大。一般认为:Ke≥2.0为突然劣化危险性强烈；1.0≤Ke<2.0为突然劣化危险性中等；Ke<1.0无突然劣化危险性[12]。

图6为混凝土冲击能指标Ke。从图6中可以看出,C60混凝土的Ke为2.31,表现为突然劣化危险性强烈,C45和C30混凝土的Ke分别为1.83和1.68,表现为突然劣化危险性中等。对机场混凝土道面而言,在飞机动载的持续作用下,其设计建造的强度越高,弹性能储存极限越大,发生劣化所需要的能量越多,越不容易发生劣化。要特别注意,机场道面等级越高,道面基础的承载强度越大,表现出的突然劣化危险等级越高,则发生突然劣化的概率就越大,需要机场有关部门做好日常检查排查工作,防止机场道面劣化影响飞机起降安全,确保飞机运行安全。

图6 混凝土强度等级对冲击能的影响

3 讨论

(1) 混凝土试件的制作。将本实验与教材上的混凝土质量控制与配合比设计联系起来,并串联出配合比适配与调整及混凝土和易性实验,得出混凝土的基准配合比。基于此,检验混凝土的强度。混凝土强度检测至少3个不同配合比,涉及到对比实验，其一为基准配合比,另外2个水胶比分别增加或减少0.05,标准养护28d。可使学生以应用为导向进行混凝土实验室配合比计算,深度理解配合比的适配、调整与强度检测,全面掌握混凝土配合比确定全过程。

(2) 混凝土的力学参数的测定与计算。基于学生设计的混凝土配合比,进行单轴力学加载实验,引入混凝土应变的测量,得出混凝土的应力—应变曲线,讲述混凝土的弹性模量的意义及计算方法,从而加强学生对混凝土荷载作用下变形性能的理解与认识。

(3) 能量计算方法的引入。物质破坏的本质是能量驱动下的失稳。基于应力—应变曲线引出能量计算方法和对应的分析策略,让学生学会通过力学现象掌握能量演化的本质,有助于提高学生对混凝土破坏的认知度,使学生更深入、更形象地理解混凝土变形的破坏性能,提高学生思维的广度。

(4) 工程问题的辩证分析能力。引入混凝土破坏危险性的冲击能指标,通过学生对不同强度混凝土冲击能的计算,得出“混凝土强度越高,危险性越大”的结论。让学生了解工程实践中的复杂性与综合性,让学生深知任何事情都有其两面性,要学会辩证地分析问题、解决问题,并基于此提出工程建议。

4 结语

通过“科研—实验—拓展—辩证—工程”五位一体实验教学方案的系统实践,实现科研资源教学内容化,教材成为“有我式”教材,打破章节的约束,形成统一整体,有助于教学内容的重构与模块化教学的开展,实现“源于教材、高于教材”,使学生将相关的土木工程材料知识融为一体,加深对混凝土相关性质的理解与认识。通过新知识的引入,培养学生分析问题、解决问题和辩证思维的能力,使学生的求知欲和主动性得到增强。

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