基于高性能材料實(shí)驗(yàn)的學(xué)生創(chuàng)新能力培養(yǎng)

張清華, 賈東林, 卜一之

(西南交通大學(xué) 橋梁工程系, 四川 成都 610031)

隨著時代的發(fā)展,社會對于大學(xué)生的綜合能力的要求越來越迫切。培養(yǎng)具有扎實(shí)基礎(chǔ)理論和專業(yè)知識、較強(qiáng)實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力、寬闊國際視野和強(qiáng)烈社會擔(dān)當(dāng)意識的卓越人才是當(dāng)代大學(xué)教育的根本,而創(chuàng)新能力培養(yǎng)是推動大學(xué)教育進(jìn)步,提高學(xué)生綜合能力的最強(qiáng)驅(qū)動力之一。隨著國民經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)型和各個領(lǐng)域的產(chǎn)業(yè)變革,對于創(chuàng)新型人才的要求日益強(qiáng)烈[1-4]。習(xí)近平總書記強(qiáng)調(diào),“當(dāng)今世界科技革命和產(chǎn)業(yè)變革方興未艾,我們要增強(qiáng)使命感,把創(chuàng)新作為最大政策,奮起直追、迎頭趕上”。因此,加大對學(xué)生科研創(chuàng)新能力培養(yǎng)的投入,探索科研創(chuàng)新能力培養(yǎng)的模式是本科教育中必不可少的一項(xiàng)重要舉措。依托縱向科研項(xiàng)目,結(jié)合土木工程領(lǐng)域科研熱點(diǎn)和專業(yè)發(fā)展前沿,以超高性能混凝土(ultra-high performance concrete, UHPC)基本力學(xué)性能研究為載體,探索學(xué)生科研創(chuàng)新能力培養(yǎng)的合理機(jī)制。相對于普通混凝土成分,超高性能混凝土作為纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料剔除粗骨料并且摻入鋼纖維,其抗壓強(qiáng)度在100 MPa以上,抗折強(qiáng)度在20 MPa以上,具有高抗拉和抗壓強(qiáng)度、高彈性模量、高延性、高韌性、高耐久性等特點(diǎn),是一種最新研發(fā)的高性能纖維水泥基復(fù)合材料[5-6]。通過超高性能混凝土基本力學(xué)性能研究,不但可以增強(qiáng)學(xué)生基本實(shí)驗(yàn)技能,提高對于超高性能混凝土力學(xué)性能的認(rèn)識,還可以鍛煉學(xué)生制訂實(shí)驗(yàn)方案、協(xié)同開展實(shí)驗(yàn)、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理的能力,進(jìn)而培養(yǎng)其綜合創(chuàng)新能力。

鑒于土木工程專業(yè)學(xué)生具有一定的專業(yè)基礎(chǔ),對普通混凝土力學(xué)性能實(shí)驗(yàn)有初步認(rèn)識,因此具有獨(dú)立開展基本力學(xué)性能實(shí)驗(yàn)的潛力。同時,超高性能混凝土與普通混凝土在材料制備和力學(xué)性能方面存在差異,制訂實(shí)驗(yàn)方案時需考慮其特殊性,如何保證成功制備超高性能混凝土,且成功測試其力學(xué)性能是實(shí)驗(yàn)的關(guān)鍵。為充分發(fā)揮學(xué)生主觀能動性和創(chuàng)造性,實(shí)驗(yàn)采用面向?qū)W生創(chuàng)新能力培養(yǎng)、教研結(jié)合的模式展開。首先,要求學(xué)生查詢、閱讀超高性能混凝土相關(guān)文獻(xiàn),提高對其力學(xué)特性的認(rèn)識。根據(jù)前期研究,確定實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo),制訂初步實(shí)驗(yàn)方案,定期組織學(xué)生進(jìn)行交流匯報,充分討論實(shí)驗(yàn)方案的可實(shí)施性和存在的問題,最后由導(dǎo)師對實(shí)驗(yàn)方案中的存在的問題進(jìn)行答疑解惑,學(xué)生完成實(shí)驗(yàn)方案,實(shí)驗(yàn)方案需得到每位小組成員簽名通過。在實(shí)驗(yàn)實(shí)施過程中,由學(xué)生小組獨(dú)立完成實(shí)驗(yàn)工作,小組中各個學(xué)生合理分配任務(wù),協(xié)同完成實(shí)驗(yàn),導(dǎo)師與學(xué)生保持溝通,但不參與實(shí)驗(yàn)。學(xué)生小組實(shí)驗(yàn)過程允許失敗,但應(yīng)提出對應(yīng)解決方案,以提高學(xué)生獨(dú)立自主解決問題的能力。

1 實(shí)驗(yàn)方案和步驟

1.1 實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計

超高性能混凝土主要由水泥、石英砂、鋼纖維、添加劑、水等成分構(gòu)成,因成分和配制方法不同,其力學(xué)性能存在較大差異[7-9]。鑒于超高性能混凝土屬于新型纖維水泥基復(fù)合材料,對應(yīng)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)尚未完善,學(xué)生在制訂實(shí)驗(yàn)方案時,參考《普通混凝土力學(xué)性能實(shí)驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50081—2002)、《混凝土結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50152—2012)、《活性粉末混凝土》(GB/T 31387—2015)、《纖維混凝土實(shí)驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(CECS:13—2009)等相關(guān)規(guī)范[10-12]。實(shí)驗(yàn)方案中確定以立方體抗壓強(qiáng)度、劈裂抗拉強(qiáng)度及軸心抗壓強(qiáng)度作為表征超高性能混凝土力學(xué)性能的基本指標(biāo)。綜合考慮超高性能混凝土抗壓強(qiáng)度范圍和實(shí)驗(yàn)機(jī)量程,同時避免試塊過小導(dǎo)致鋼纖維分布不均勻,實(shí)驗(yàn)方案最終確定以100 mm×100 mm×100 mm立方體試塊作為標(biāo)準(zhǔn)立方體抗壓、劈裂試塊。試塊尺寸如圖1所示,一共澆筑3組試件,每組包含3個試件,其中2組用來測試立方體抗壓強(qiáng)度,一組用來測試立方體劈裂抗拉強(qiáng)度。

圖1 立方體試塊(單位:mm)

為測試超高性能混凝土軸心抗壓強(qiáng)度,設(shè)計100 mm×100 mm×300 mm棱柱體試塊作為標(biāo)準(zhǔn)試塊,如圖2所示,共澆筑2組試塊,每組包含3個試塊。

圖2 軸心受壓棱柱體試塊(單位:mm)

1.2 試塊制備

基于最大密實(shí)度理論,實(shí)驗(yàn)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(質(zhì)量比)

鑒于超高性能混凝土中材料成分的添加順序?qū)ζ淞W(xué)特性至關(guān)重要,故本文將實(shí)驗(yàn)中配制步驟簡要敘述如下:

(1) 將除水、鋼纖維以外的所有其他配料依次放入強(qiáng)制式攪拌機(jī),開始攪拌。鋼纖維在干料攪拌過程中逐步添加,添加完畢后,攪拌3 min。

(2) 精確稱量所需水的重量,將水加入到攪拌機(jī)中,加水時,攪拌機(jī)需要保持運(yùn)轉(zhuǎn)。

(3) 待所有混合料和水添加完畢后,攪拌5 min。

學(xué)生在材料實(shí)際配制時,發(fā)現(xiàn)混合料在加水?dāng)嚢? min后,流動性仍然較差,為確保材料適用性,經(jīng)學(xué)生小組商議后,決定繼續(xù)攪拌2 min,將超高性能混凝土從攪拌機(jī)取出,如圖3所示。從圖3可以看出,超高性能混凝土具有非常好的流動性,符合工程應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn),因此,合適的攪拌時間對于UHPC同樣非常重要。塌落度測試如圖4所示,塌落度常數(shù)為250 mm,塌落度擴(kuò)展常數(shù)為550 mm,滿足規(guī)范要求。測試完畢后,澆筑立方體試塊和軸心抗壓試塊,澆筑完成后,立即蓋上保濕膜,常溫條件下養(yǎng)護(hù)24 h,脫模,再次鋪上保濕膜,定期灑水、養(yǎng)護(hù)28 d,如圖5所示。

圖3 超高性能混凝土出機(jī)狀態(tài)

圖4 超高性能混凝土塌落度測試

圖5 超高性能混凝土部分養(yǎng)護(hù)試塊

1.3 實(shí)驗(yàn)測試步驟

根據(jù)實(shí)驗(yàn)方案,開展超高性能混凝土力學(xué)性能測試,限于篇幅,此處僅對立方體抗壓試塊實(shí)驗(yàn)測試步驟進(jìn)行簡要概述:

(1) 試塊從養(yǎng)護(hù)地點(diǎn)取出后立即進(jìn)行實(shí)驗(yàn),將試件表面與上下承壓板面擦拭干凈。試件直立放置在實(shí)驗(yàn)機(jī)的下壓板或鋼墊板上,試件的承壓面與成型時的頂面垂直,并使試件軸心與下壓板中心對準(zhǔn)。

(2) 開動實(shí)驗(yàn)機(jī),當(dāng)上壓板與試件或鋼墊板接近時,調(diào)整球座,使接觸均衡。

(3) 連續(xù)均勻地加荷,不得有沖擊。鑒于超高性能混凝土強(qiáng)度等級>C60,加載速度取0.8 MPa/s～1.0 MPa/s。

(4) 試件接近破壞而開始急劇變形時,停止調(diào)整實(shí)驗(yàn)機(jī)油門,直至破壞,記錄破壞荷載。

立方體抗壓強(qiáng)度按下式計算:

式中：fcc為混凝土立方體試件抗壓強(qiáng)度(MPa),F為試件破壞荷載(N)；A為試件承壓面積(mm2)。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.1 立方體抗壓實(shí)驗(yàn)

立方體抗壓強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)如圖6所示,對應(yīng)破壞形態(tài)如圖7所示。不同于普通混凝土的崩裂破壞,超高性能混凝土立方體抗壓試塊破壞時只有輕微的纖維拔出聲音,由于鋼纖維的橋連作用,試塊雖然出現(xiàn)明顯的剝離現(xiàn)象,但沒有出現(xiàn)典型的角錐破壞形態(tài)。實(shí)驗(yàn)測試完成后,由學(xué)生對實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行處理,2組立方體抗壓試塊的抗壓強(qiáng)度如表2所示,平均抗壓強(qiáng)度為119.74 MPa,其抗壓強(qiáng)度明顯高于普通混凝土的強(qiáng)度,破壞形態(tài)也具有較大差別。

圖6 超高性能混凝土立方體抗壓實(shí)驗(yàn)

圖7 超高性能混凝土立方體抗壓破壞形態(tài)

2.2 立方體劈裂實(shí)驗(yàn)

立方體劈裂強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)如圖8所示,對應(yīng)破壞截面形態(tài)如圖9所示。從圖9(a)可以看出,不同于普通混凝土的脆性劈裂破壞,超高性能混凝土立方體試塊劈裂破壞可以明顯觀測到鋼纖維的連接作用,隨著主裂縫逐漸增長,可以清晰地聽到鋼纖維拔出的聲音。卸載后,將破壞試塊分開,如圖9(b)所示,可以看到截面鋼纖維呈現(xiàn)隨機(jī)分布,且呈現(xiàn)明顯的拔出狀態(tài)。該組試塊的劈裂強(qiáng)度如表3所示,劈裂抗拉強(qiáng)度代表值為6.76 MPa,遠(yuǎn)大于普通混凝土的抗拉強(qiáng)度,鋼纖維對于抗拉強(qiáng)度具有明顯的改善作用。

圖8 超高性能混凝土立方體劈裂實(shí)驗(yàn)

圖9 超高性能混凝土立方體劈裂破壞形態(tài)

試件號強(qiáng)度實(shí)測值/MPa強(qiáng)度代表值/MPa16.4326.9636.906.76

2.3 軸心抗壓實(shí)驗(yàn)

棱柱體軸心抗壓實(shí)驗(yàn)如圖10所示,典型破壞形態(tài)如圖11所示。從圖11可以看出,棱柱體軸心抗壓破壞形態(tài)與普通混凝土軸心抗壓構(gòu)件類似,主裂縫均出現(xiàn)在對角線部位,破壞時伴有較大的響聲,達(dá)到極限強(qiáng)度后為突然的脆性破壞。但破壞后均伴有明顯的滑移現(xiàn)象,表明鋼纖維在剩余強(qiáng)度階段仍然具有一定的連接作用。軸心抗壓強(qiáng)度如表4所示,平均軸心抗壓強(qiáng)度為106.66 MPa。相比于普通混凝土,超高性能混凝土具有非常高的軸心抗壓強(qiáng)度,是具有發(fā)展前景的新型纖維水泥基復(fù)合材料。

圖10 超高性能混凝土棱柱體的心抗壓實(shí)驗(yàn)

圖11 超高性能混凝土棱柱體軸心抗壓實(shí)驗(yàn)典型破壞形態(tài)

試件號強(qiáng)度實(shí)測值/MPa強(qiáng)度代表值/MPa強(qiáng)度平均值/MPa1113.682108.803103.024101.315113.98698.92108.56104.76106.66

3 結(jié)語

依托縱向科研項(xiàng)目,對學(xué)生創(chuàng)新能力培養(yǎng)進(jìn)行了探索和實(shí)踐,引導(dǎo)學(xué)生完成了新型水泥基復(fù)合材料—超高性能混凝土基本力學(xué)性能研究。通過科研實(shí)踐項(xiàng)目,提高了學(xué)生的動手能力、思考和解決問題的能力。

基于超高性能混凝土材料配料比研究及力學(xué)性能測試,使學(xué)生熟悉并掌握了超高性能混凝土的制備過程和基本力學(xué)性能測試技術(shù),深刻認(rèn)識了超高性能混凝土高抗壓、高抗拉的力學(xué)性能。實(shí)驗(yàn)過程中,學(xué)生能夠創(chuàng)造性地分析和解決問題,嚴(yán)謹(jǐn)務(wù)實(shí)、腳踏實(shí)地地開展實(shí)驗(yàn),加強(qiáng)了團(tuán)隊(duì)溝通協(xié)作能力。通過科研實(shí)踐,激發(fā)了學(xué)生的積極性和創(chuàng)造性,切實(shí)有效地提升了學(xué)生的綜合創(chuàng)新能力。因此,在學(xué)生的本科學(xué)習(xí)過程中,通過相關(guān)科研項(xiàng)目開展科研實(shí)踐,寓教于研,教研結(jié)合,在培養(yǎng)學(xué)生科研創(chuàng)新能力的同時完成項(xiàng)目的科研工作,對于教師和學(xué)生均有非常大的意義,是值得借鑒的一種學(xué)生創(chuàng)新能力培養(yǎng)模式。