基于高性能材料实验的学生创新能力培养

张清华, 贾东林, 卜一之

(西南交通大学 桥梁工程系, 四川 成都 610031)

随着时代的发展,社会对于大学生的综合能力的要求越来越迫切。培养具有扎实基础理论和专业知识、较强实践能力和创新能力、宽阔国际视野和强烈社会担当意识的卓越人才是当代大学教育的根本,而创新能力培养是推动大学教育进步,提高学生综合能力的最强驱动力之一。随着国民经济结构的转型和各个领域的产业变革,对于创新型人才的要求日益强烈[1-4]。习近平总书记强调,“当今世界科技革命和产业变革方兴未艾,我们要增强使命感,把创新作为最大政策,奋起直追、迎头赶上”。因此,加大对学生科研创新能力培养的投入,探索科研创新能力培养的模式是本科教育中必不可少的一项重要举措。依托纵向科研项目,结合土木工程领域科研热点和专业发展前沿,以超高性能混凝土(ultra-high performance concrete, UHPC)基本力学性能研究为载体,探索学生科研创新能力培养的合理机制。相对于普通混凝土成分,超高性能混凝土作为纤维增强水泥基复合材料剔除粗骨料并且掺入钢纤维,其抗压强度在100 MPa以上,抗折强度在20 MPa以上,具有高抗拉和抗压强度、高弹性模量、高延性、高韧性、高耐久性等特点,是一种最新研发的高性能纤维水泥基复合材料[5-6]。通过超高性能混凝土基本力学性能研究,不但可以增强学生基本实验技能,提高对于超高性能混凝土力学性能的认识,还可以锻炼学生制订实验方案、协同开展实验、实验数据处理的能力,进而培养其综合创新能力。

鉴于土木工程专业学生具有一定的专业基础,对普通混凝土力学性能实验有初步认识,因此具有独立开展基本力学性能实验的潜力。同时,超高性能混凝土与普通混凝土在材料制备和力学性能方面存在差异,制订实验方案时需考虑其特殊性,如何保证成功制备超高性能混凝土,且成功测试其力学性能是实验的关键。为充分发挥学生主观能动性和创造性,实验采用面向学生创新能力培养、教研结合的模式展开。首先,要求学生查询、阅读超高性能混凝土相关文献,提高对其力学特性的认识。根据前期研究,确定实验目标,制订初步实验方案,定期组织学生进行交流汇报,充分讨论实验方案的可实施性和存在的问题,最后由导师对实验方案中的存在的问题进行答疑解惑,学生完成实验方案,实验方案需得到每位小组成员签名通过。在实验实施过程中,由学生小组独立完成实验工作,小组中各个学生合理分配任务,协同完成实验,导师与学生保持沟通,但不参与实验。学生小组实验过程允许失败,但应提出对应解决方案,以提高学生独立自主解决问题的能力。

1 实验方案和步骤

1.1 实验方案设计

超高性能混凝土主要由水泥、石英砂、钢纤维、添加剂、水等成分构成,因成分和配制方法不同,其力学性能存在较大差异[7-9]。鉴于超高性能混凝土属于新型纤维水泥基复合材料,对应规范标准尚未完善,学生在制订实验方案时,参考《普通混凝土力学性能实验方法标准》(GB/T 50081—2002)、《混凝土结构实验方法标准》(GB/T 50152—2012)、《活性粉末混凝土》(GB/T 31387—2015)、《纤维混凝土实验方法标准》(CECS:13—2009)等相关规范[10-12]。实验方案中确定以立方体抗压强度、劈裂抗拉强度及轴心抗压强度作为表征超高性能混凝土力学性能的基本指标。综合考虑超高性能混凝土抗压强度范围和实验机量程,同时避免试块过小导致钢纤维分布不均匀,实验方案最终确定以100 mm×100 mm×100 mm立方体试块作为标准立方体抗压、劈裂试块。试块尺寸如图1所示,一共浇筑3组试件,每组包含3个试件,其中2组用来测试立方体抗压强度,一组用来测试立方体劈裂抗拉强度。

图1 立方体试块(单位:mm)

为测试超高性能混凝土轴心抗压强度,设计100 mm×100 mm×300 mm棱柱体试块作为标准试块,如图2所示,共浇筑2组试块,每组包含3个试块。

图2 轴心受压棱柱体试块(单位:mm)

1.2 试块制备

基于最大密实度理论,实验中超高性能混凝土的主要材料配料比如表1所示。

表1 超高性能混凝土配料比(质量比)

鉴于超高性能混凝土中材料成分的添加顺序对其力学特性至关重要,故本文将实验中配制步骤简要叙述如下:

(1) 将除水、钢纤维以外的所有其他配料依次放入强制式搅拌机,开始搅拌。钢纤维在干料搅拌过程中逐步添加,添加完毕后,搅拌3 min。

(2) 精确称量所需水的重量,将水加入到搅拌机中,加水时,搅拌机需要保持运转。

(3) 待所有混合料和水添加完毕后,搅拌5 min。

学生在材料实际配制时,发现混合料在加水搅拌5 min后,流动性仍然较差,为确保材料适用性,经学生小组商议后,决定继续搅拌2 min,将超高性能混凝土从搅拌机取出,如图3所示。从图3可以看出,超高性能混凝土具有非常好的流动性,符合工程应用标准,因此,合适的搅拌时间对于UHPC同样非常重要。塌落度测试如图4所示,塌落度常数为250 mm,塌落度扩展常数为550 mm,满足规范要求。测试完毕后,浇筑立方体试块和轴心抗压试块,浇筑完成后,立即盖上保湿膜,常温条件下养护24 h,脱模,再次铺上保湿膜,定期洒水、养护28 d,如图5所示。

图3 超高性能混凝土出机状态

图4 超高性能混凝土塌落度测试

图5 超高性能混凝土部分养护试块

1.3 实验测试步骤

根据实验方案,开展超高性能混凝土力学性能测试,限于篇幅,此处仅对立方体抗压试块实验测试步骤进行简要概述:

(1) 试块从养护地点取出后立即进行实验,将试件表面与上下承压板面擦拭干净。试件直立放置在实验机的下压板或钢垫板上,试件的承压面与成型时的顶面垂直,并使试件轴心与下压板中心对准。

(2) 开动实验机,当上压板与试件或钢垫板接近时,调整球座,使接触均衡。

(3) 连续均匀地加荷,不得有冲击。鉴于超高性能混凝土强度等级>C60,加载速度取0.8 MPa/s～1.0 MPa/s。

(4) 试件接近破坏而开始急剧变形时,停止调整实验机油门,直至破坏,记录破坏荷载。

立方体抗压强度按下式计算:

式中：fcc为混凝土立方体试件抗压强度(MPa),F为试件破坏荷载(N)；A为试件承压面积(mm2)。

2 实验结果

2.1 立方体抗压实验

立方体抗压强度实验如图6所示,对应破坏形态如图7所示。不同于普通混凝土的崩裂破坏,超高性能混凝土立方体抗压试块破坏时只有轻微的纤维拔出声音,由于钢纤维的桥连作用,试块虽然出现明显的剥离现象,但没有出现典型的角锥破坏形态。实验测试完成后,由学生对实验结果进行处理,2组立方体抗压试块的抗压强度如表2所示,平均抗压强度为119.74 MPa,其抗压强度明显高于普通混凝土的强度,破坏形态也具有较大差别。

图6 超高性能混凝土立方体抗压实验

图7 超高性能混凝土立方体抗压破坏形态

2.2 立方体劈裂实验

立方体劈裂强度实验如图8所示,对应破坏截面形态如图9所示。从图9(a)可以看出,不同于普通混凝土的脆性劈裂破坏,超高性能混凝土立方体试块劈裂破坏可以明显观测到钢纤维的连接作用,随着主裂缝逐渐增长,可以清晰地听到钢纤维拔出的声音。卸载后,将破坏试块分开,如图9(b)所示,可以看到截面钢纤维呈现随机分布,且呈现明显的拔出状态。该组试块的劈裂强度如表3所示,劈裂抗拉强度代表值为6.76 MPa,远大于普通混凝土的抗拉强度,钢纤维对于抗拉强度具有明显的改善作用。

图8 超高性能混凝土立方体劈裂实验

图9 超高性能混凝土立方体劈裂破坏形态

试件号强度实测值/MPa强度代表值/MPa16.4326.9636.906.76

2.3 轴心抗压实验

棱柱体轴心抗压实验如图10所示,典型破坏形态如图11所示。从图11可以看出,棱柱体轴心抗压破坏形态与普通混凝土轴心抗压构件类似,主裂缝均出现在对角线部位,破坏时伴有较大的响声,达到极限强度后为突然的脆性破坏。但破坏后均伴有明显的滑移现象,表明钢纤维在剩余强度阶段仍然具有一定的连接作用。轴心抗压强度如表4所示,平均轴心抗压强度为106.66 MPa。相比于普通混凝土,超高性能混凝土具有非常高的轴心抗压强度,是具有发展前景的新型纤维水泥基复合材料。

图10 超高性能混凝土棱柱体的心抗压实验

图11 超高性能混凝土棱柱体轴心抗压实验典型破坏形态

试件号强度实测值/MPa强度代表值/MPa强度平均值/MPa1113.682108.803103.024101.315113.98698.92108.56104.76106.66

3 结语

依托纵向科研项目,对学生创新能力培养进行了探索和实践,引导学生完成了新型水泥基复合材料—超高性能混凝土基本力学性能研究。通过科研实践项目,提高了学生的动手能力、思考和解决问题的能力。

基于超高性能混凝土材料配料比研究及力学性能测试,使学生熟悉并掌握了超高性能混凝土的制备过程和基本力学性能测试技术,深刻认识了超高性能混凝土高抗压、高抗拉的力学性能。实验过程中,学生能够创造性地分析和解决问题,严谨务实、脚踏实地地开展实验,加强了团队沟通协作能力。通过科研实践,激发了学生的积极性和创造性,切实有效地提升了学生的综合创新能力。因此,在学生的本科学习过程中,通过相关科研项目开展科研实践,寓教于研,教研结合,在培养学生科研创新能力的同时完成项目的科研工作,对于教师和学生均有非常大的意义,是值得借鉴的一种学生创新能力培养模式。