科研反哺教学在建筑材料实验课程中的实践★

刘 品

(成都大学建筑与土木工程学院,四川 成都 610106)

随着科学技术的快速发展,我国对科技、人才、创新的需求越来越紧迫。党的二十大报告提出,深入实施科教兴国战略、人才强国战略、创新驱动发展战略[1],体现了科教融合和创新发展的鲜明导向。高等院校肩负着人才培养和科技创新的双重使命。如何培养适应新时代的创新人才,成为高校需要面临的重要任务。在国家的重点支持建设下,很多高校的科研水平有了显著的进步,众多领域的研究成果取得了重大突破,有力推动了我国经济社会和科技产业的进步[2-4]。但部分高校教师在科研任务的压力下,出现了重科研、轻教学的问题[5-7]。科技创新需要依靠人才,人才的培养也需要借助科学研究,二者相辅相成。教学是人才培养的基本形式,教育部《关于深化本科教育教学改革全面提高人才培养质量的意见》[8]中明确提出高校应积极推动“科研反哺教学”,要求高校教师及时将最新科研成果转化为教学内容,探索创新型人才培养的新路径。

近年来,随着“一带一路”战略和西部大开发新格局的深入推进,川藏铁路、沿江高铁、渝昆高铁等重大工程的建设逐步加快,对土建交通专业的人才质量有了更高的要求[9-11]。教师在讲授专业基础知识的同时,还应注重学生创新和实践能力的培养。作为土木建筑类专业的专业基础课,建筑材料是一门典型的“理论+实验”课程,其中的实验教学部分是培养学生运用理论知识解决实际工程问题,提升学生实践创新能力的重要环节。但目前该课程的实验内容不够丰富,缺乏与实际工程的关联,且教学形式比较单一,主要采用教师讲解和学生按步操作的方式,学生参与探索实践的程度较低,无法有效提升学生的创新能力[12]。

鉴于上述问题,本文结合当前的热点工程问题,以高地温隧道喷射混凝土的变形性能为例,将前期的科研成果转化为建筑材料课程的创新性实验教学资源,激发学生的学习兴趣和科研热情,提升学生的创新意识和综合分析问题的能力。本文的研究内容,可为科研项目反哺该类课程的创新性实验提供一定的借鉴。

1 高地温环境喷射混凝土自由收缩试验

1.1 研究背景

随着新时代西部大开发战略的深入实施,我国西部山区横贯东西、纵贯南北的运输通道建设持续推进,随之出现的高地温问题也十分突出。比如,正在建设的川藏铁路穿越川西地热异常带和藏东地热温泉带,沿线出露温泉700余处,约有15座隧道存在高地温问题。隧道高地温通常表现为两种形式:1)在富含地下水的围岩中,热水通过围岩裂隙流动,将地热传递到隧道内,这就形成了湿热环境。2)在几乎无水的围岩中,热传递发生在岩石内部,地热通过岩石传递到隧道的围岩表面,这即是干热环境。

高地温环境中混凝土的变形性能不同于常温环境,特别是在干热环境中,混凝土水分迅速散失,产生较大的干缩,早期严重的收缩容易造成混凝土脱粘开裂,降低支护结构的安全性和耐久性[13-16]。因此,开展高地温隧道喷射混凝土变形性能的研究具有非常重要的意义,同时可为国家培养满足重大战略工程需求的技术人才。

1.2 试验过程

为了让学生尽快参与到试验中,首先向学生介绍该试验的工程背景、喷射混凝土配合比的设计依据以及自由收缩变形的测试方法。然后,让学生总结喷射混凝土与普通混凝土配合比的差异,并参与混凝土的成型、养护及变形的测试,锻炼学生的思考和动手能力。最后,指导学生对试验数据进行处理,并尝试用所学理论知识对试验结果进行分析。

试验所用原材料如表1所示,根据JGJ 55—2011普通混凝土配合比设计规程、GB 50086—2015岩土锚杆与喷射混凝土支护工程技术规范和JGJ/T 372—2016喷射混凝土应用技术规程设计隧道工程中常用的C25喷射混凝土,并通过添加减水剂调整坍落度为100 mm～120 mm。为分析温度对喷射混凝土变形性能的影响,设置了20 ℃标准养护环境(20-标)、50 ℃和70 ℃湿热环境(50-湿、70-湿)以及50 ℃和70 ℃干热环境(50-干、70-干)五种环境工况。

表1 原材料参数

考虑到成本和实验室内的可操作性,本文采用模筑法代替湿喷法成型混凝土试件,分析高地温环境对混凝土变形性能的影响规律。分别利用恒温水箱和恒温烘箱模拟湿热及干热环境。参照GB/T 50082—2009普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准中混凝土收缩试验的接触法,测定各工况混凝土试件的初长及达到预定龄期后的长度(如图1所示),从而可获得各工况混凝土在不同龄期的变形值。

1.3 试验结果

不同环境条件下各龄期混凝土试件的变形见图2。

由图2可知,标准养护环境和干热环境下混凝土总体产生收缩变形,而湿热环境下混凝土产生了膨胀变形。受温度和湿度的综合影响,7 d～45 d龄期,标养环境混凝土的收缩率略小于50 ℃干热环境,而在60 d后略微反超。20-标和50-干工况混凝土的收缩率均大于70 ℃干热环境,这是收缩与更大的热胀综合作用的结果。在湿热环境中,混凝土在湿胀和热胀共同作用下产生了膨胀变形,70-湿的膨胀率在每个龄期都高于50-湿,28 d后70-湿的膨胀率约为50-湿的2倍。

通过教师引导、学生参与的方式,整个试验可使学生对混凝土的原材料参数、外加剂作用、配合比设计方法,以及变形性能等教材内容有更直观深刻的理解,同时熟悉了相关规范,掌握了混凝土收缩变形的测试方法,提高了处理和分析试验数据的能力,有效发挥了科研项目对实验教学的反哺作用。

2 干热环境混凝土与岩石的约束收缩试验

2.1 方案制定

隧道工程中,喷射混凝土黏结在围岩表面,其收缩将受到围岩的约束作用,从而使喷射混凝土产生拉应力,而干热环境中混凝土收缩变形较大,更容易产生界面裂缝。因此,有必要对干热环境混凝土的约束收缩性能进行研究。

通过前期的自由收缩试验,学生对建筑材料试验的流程有了一定了解,为了提高学生自主创新的能力,本试验让学生主导方案设计与数据分析,教师提供建议促进试验成功开展。

为了进一步探索抑制干热环境混凝土收缩的措施,针对80 ℃干热环境,学生设置了基准配合比(80-BP)、基准配合比+体积比1%的钢纤维(80-SF)和基准配合比+体积比1%的钢纤维+水泥质量5%的减缩剂(80-SF+SRA)三种工况。由于常用的接触法测试收缩时需要将试件从烘箱中搬出,费时、费力且易受环境干扰,影响测量精度,而非接触法的测定仪器在高于40 ℃的环境中无法正常工作。所以,学生经过文献查阅、小组研讨与优化改进,设计了一种适用于干热环境混凝土-岩石约束收缩测试的装置,如图3所示。将该装置安装在混凝土-岩石复合试件上,并放入80 ℃烘箱中养护。读取千分表的初始读数L0和龄期t时的读数Lt,则混凝土的约束收缩率εst可通过式(1)计算。

(1)

其中,Lb为试件的测量标距。

2.2 结果分析

三种工况的试件在测点1和测点2处的约束收缩率曲线如图4所示。

由图4可知,80 ℃干热环境中由于高温引起的热胀作用,混凝土在试验初期表现出膨胀变形,随着龄期增长收缩不断增大,开始产生明显的收缩变形,且前10天收缩快速增长,随后增速变缓,28 d后基本趋于稳定。掺加钢纤维后混凝土的收缩变形显著降低,在此基础上掺加减缩剂后,收缩变形得到进一步抑制,28 d龄期时80-SF和80-SF+SRA在测点1的收缩率分别比80-BP降低了18.7%和44.7%。这是由于钢纤维散布形成的纤维网格在混凝土收缩时产生的拉应力抑制了收缩变形,且钢纤维的高导热系数减少了温度快速变化而产生的体积变形。而减缩剂可降低毛细孔溶液的表面张力并增大其黏度,从而减小失水时产生的收缩应力,抑制了收缩变形,且一定程度上克服了胶凝材料间的凝聚力,从而产生微膨胀抵消一部分收缩变形。对比图4(a)和图4(b)可知,测点1处的收缩变形明显小于测点2处,这是由于界面处的混凝土受到了岩石的约束作用,所以距离界面越远收缩变形越大。

为获得收缩率与试验龄期间的数学关系,分别采用指数、对数和双曲线三种函数对二者进行拟合,表2给出了各工况的拟合度,可以发现指数函数的拟合效果最好,其中80-BP测点1的拟合曲线如图5所示。

表2 各函数对约束收缩率的拟合度

通过学生主导、教师促进的方式,学生自主完成整个创新拓展试验,明白了混凝土中掺加纤维材料的作用和目的,了解了减缩剂的作用机理,且提升了团队协作、开拓创新的意识以及自主分析和解决问题的能力。

3 混凝土-岩石约束收缩力学模型

为提升学生在学科交叉方面的融合贯通能力,培养高素质复合人才,在完成约束收缩试验的基础上,鼓励学生利用所学的材料力学知识建立混凝土-岩石的约束收缩力学模型。

约束收缩试件成型后,混凝土产生的收缩受到岩石的限制和约束,所以在黏结面上混凝土将产生拉力Fc(t),岩石则会产生压力Fr(t),且易知(见式(2)):

Fc(t)=-Fr(t)

(2)

根据力的等效合成原理,混凝土和岩石截面上的应力计算公式分别见式(3),式(4):

(3)

(4)

其中,Ac和Ar分别为混凝土和岩石截面的面积;Mc(t)和Mr(t)均为截面上的弯矩;yci和yri均为距截面形心轴的距离;Ic和Ir均为截面形心主轴的惯性矩。

混凝土和岩石截面上的弯矩可由式(5),式(6)计算:

Mc(t)=Fc(t)yc0

(5)

Mc(t)=Fc(t)yc0

(6)

σc(t)=Fc(t)gci

(7)

σr(t)=Fr(t)gri

(8)

考虑混凝土收缩徐变的影响,忽略岩石的徐变,根据应力应变关系及界面处的应变协调等关系,整理可得岩石-混凝土界面的约束力计算公式见式(9):

(9)

其中,Ec(t)和Er(t)分别为混凝土和岩石的弹性模量;εc0(t)为自由收缩值;φ(t,t0)为徐变系数;χ(t,t0)为老化系数。

利用以上公式可计算得到各工况的界面约束力,如图6所示,可以看出钢纤维可以显著降低界面约束力,复掺减缩剂后界面约束力进一步降低。图7给出了80-BP工况混凝土截面上的应力分布情况,结果显示随着到黏结面距离的增大,混凝土拉应力逐渐减小,并逐渐从拉应力区过渡到压应力区。

通过学科交叉、进阶提升的方式,学生经过理论推导建立了约束收缩力学模型,学会了灵活应用力学知识解决实际问题,综合能力有了显著提升。

4 结语

本文基于教育部提出的推动“科研反哺教学”,以建筑材料课程的创新性实验为研究对象,依托高地温隧道喷射混凝土变形性能的研究课题,探索了科研反哺教学在试验教学中的实践方式与成效,主要结论如下:1)科研项目通过合理转化可以为创新性实验提供丰富的教学资源,能够促进科研成果反哺本科教学,实现科研与教学的共同进步。2)“先参与,再主导”是一种有效的实验教学方法,即:先让学生参与基础试验,快速熟悉试验背景和基本流程,再让学生主导拓展试验,提高自主创新和综合解决问题的能力。3)实验教学中可适当进行学科交叉,培养学生的融合贯通能力,促进高素质复合人才的形成。