土木工程材料課程實驗創新探討
——以纖維水泥基材料抗拉綜合性試驗為例

李福海，靳賀松，王江山，李 瑞，何肖云峰，楊萬理

(西南交通大學 土木工程學院, 成都 610031)

0 引 言

近年來我國大力發展高速鐵路，橋梁、隧道、大型車站工程，及城市化發展帶來的超高層建筑工程等難度較大的土木工程項目對創新型人才的需求逐漸上升。而本科生教育是培養高層次創新型工程人才的重要階段，是為我國重大工程輸送工程技術人員的重要保證，本科生教學質量的提高對新時代我國基礎設施建設有著舉足輕重的作用。而建筑材料是土木工程專業的基礎課程，與材料力學等力學課程不同，土木工程材料是一門理論與實踐并重的課程。理論教學能夠豐富學生對專業的基本認識并使學生了解專業基本理論，同時為實踐教學打下基礎。而以實驗為主要形式的實踐教育則旨在提升學生的實踐創新和動手操作等能力，為今后解決工程實際問題或科研創新做好準備。但本課程知識分散[1]、內容繁雜，學時卻又相對偏少[2]，因此重視并改革創新該專業課程，尤其是實驗教學，無論是對于提升學生專業素質和創新能力，還是對于推動國家基礎設施建設都有重要意義。

針對高校教育背景、土木工程材料教學中存在的問題、國內一些高校在本課程教學及實驗操作過程中提出的改革理念、措施及經驗，提出了課程改革建議，并以纖維水泥基材料抗拉綜合性試驗為例，對土木工程材料實驗驗教學創新進行了實踐探索。

1 我國高校土木工程材料試驗課程現狀及存在的問題

土木工程材料課程知識冗雜，各章節關聯體系不強。教師普遍采用“填鴨式”的灌輸方法教學，學生長期處于一種被動學習狀態，枯燥乏味[3]。另外，學生預習、復習回顧課程的情況越來越少，對土木工程材料知識掌握不牢固。而高校通常普遍將土木工程材料課程安排為理論和實驗兩個模塊，并利用一學期的時間完成，實驗課程穿插在理論課程中。

實際上，土木工程材料的實驗課程教學效果問題已存在多年，并且全國不少高校對此有所重視，提出教學改革理念和方案，雖然問題有所改善，但總體效果仍不理想。現階段，課程改革重點普遍為學時安排、授課理念和方式、考核指標等教學理念及方法，而對課程試驗的改革創新較少。前者確實在一定程度上優化提高了課程的理論教學效果，并普遍達到了改革預期，但在培養學生創新和動手能力方面仍有有不足。總體來看，國內土木工程材料實驗教學還存在以下一些問題。

1.1 學時少、課時安排不合理

文獻[4]中在對有關土木工程材料試驗教學單獨設置課程的探討中指出，所調查的國內20所高校中僅有3所對試驗課程單獨設課。目前，全國高校的普遍情況是土木工程材料試驗課與理論課隸屬同一門課程，且教學計劃安排不夠合理，理論教學部分往往占據主要地位和大部分學時，而試驗部分一般僅占6～10學時[5]，且同時涉及水泥、砂石、混凝土、砂漿、鋼材、瀝青等項目，相對而言內容繁多而學時極少，此時要在完成教學任務的同時保證學生的動手和創新能力得到鍛煉極其困難。以我校土木工程專業的建筑材料試驗課程為例，其課程內容與課時安排如表1所示。

表1 建筑材料試驗課程課時安排表

1.2 教學方式較為傳統、教學內容陳舊

目前，教師仍以講授基本知識點、講解實驗為主體。而此種先灌輸再讓學生進行驗證性實驗的教學模式很難適用于當今以素質教育、實踐和創新能力為核心、較為寬松的高校本科生的綜合教育。另外，理論教學往往以各種材料的基本概念、物理化學性質、力學性能、用途等為主要內容，這部分知識缺乏邏輯關聯且較為枯燥，學生想要掌握這部分知識主要通過記憶，與土木工程本身以數理力學分析計算解決問題的理工科屬性略有出入，但又是今后解決工程問題所必須儲備的基本專業知識。而現在大學生的學習生活更為豐富，在實驗前掌握相關知識的學生較少，因而削弱了實驗部分的教學效果。

教學內容主要以普通混凝土、鋼材、瀝青等傳統建筑材料為主。隨著各種特殊工況下工程項目的出現，新型改良材料運用越來越多，而教學內容中仍為傳統的材料，實屬落后形勢。

1.3 實驗主要為基礎性及驗證性實驗

目前教學大綱規定的土木工程材料實驗仍然以基礎性、驗證性實驗為主[6]，如混凝土和易性、抗壓強度等實驗，并且都是由教師先講解實驗目的和操作方式，并告知最終試驗結果，而后由學生分組進行實驗操作，最終得出實驗結果[7]。換言之，這些實驗都是在給定條件下，以規定的操作方式進行，最后檢查試驗結果是否“合格”。這種情況下，學生處于被動狀態，以完成任務的心態進行實驗，無法體現出實驗就是探索的過程。此外，由于結果已知，或者相當容易理解及預測，當由于操作失誤或基礎知識掌握不到位，造成試驗結果明顯有誤時，學生可以輕易編造合理的數據以應付過關，甚至逃避試驗憑空編造數據。

1.4 考核方式不科學

當前高校土木工程材料試驗課程的考核方式多為以學生出勤率、實驗報告的撰寫情況等[8]為基礎得出綜合評價。此外，實驗課程分數與理論課程分數以一定權重換算后得到的總分為土木工程材料課程的最終分數。這種考核方式實際上存在很多不足。首先，由于試驗課程學時普遍占比較小，因而其分數在總成績中的比重不大，學生成績優劣區分度太小；另外，每組學生中由少數學生完成所有實驗操作，并得到試驗數據，而組內其他學生幾乎不參與實驗操作、缺乏主動性，實驗報告雷同、抄襲較多，但結果所有人分數幾乎相差不大，這種不科學的考核標準導致認真完成試驗的學生與偷懶的學生無法被區分，打擊了學生積極性。

1.5 管理體系薄弱、協調工作有所欠缺

(1) 實驗教學師生比太小。目前實驗的管理和安排現狀普遍是每班有5或6組，每個實驗小組有5或6名學生，1位實驗教師每次指導多個班級，這就導致該教師的指導任務過于繁重，而每個學生得到指導時間、細致程度都有所折減，因此各高校不得不請研究生輔助指導與教學工作。

(2) 實驗儀器臺套數不足。每次試驗時間安排緊湊，且實驗室內儀器普遍不足，供給一個實驗所需的儀器往往僅有一兩套，而同時進行實驗的小組有5、6組，加之學生往往是首次接觸實驗器材，操作不夠熟練，造成“僧多粥少”的局面。

(3) 實驗管理人員較少。眾多學生進行實驗課程，安排工作出現沖突或疏漏的情況時有發生，影響課程效果。

2 國內高校土木工程材料課程實驗改革措施與經驗

文獻[9]中指出，進行材料基本性質、水泥、混凝土相關實驗對于土木工程材料課程實驗教學是必不可少的內容，鋼筋和瀝青以及瀝青混合材料可作為選做實驗。此外，督促學生進行獨立的數據整理和分析有助于培養學生獨立思考能力。

發揮輔助教學手段，如動畫、多媒體演示等方法直觀地展示實驗過程和操作方法，以拓展學生視野和知識廣度。

可以采取更加開放自由的教學管理制度輔助實驗教學。比如實行實驗室開放制度，鼓勵學生進行設計性、綜合性實驗，結合導師適當的科研項目，鍛煉并提高學生科研和動手能力。同時，讓本科生參與教師的科研項目，對于教師的整體教學和科研工作也有一定的促進幫助作用。

文獻[4]中則建議將土木工程材料的實驗部分單獨設置成一門課程。指出，當前我國高校將實驗課程單獨設課的高校極少，實驗教學多為附屬性課程。單獨設課使實驗教師直接參與學校的教學考核，其必須投入更多時間和精力以提升實驗教學質量；同時，單獨設課也賦予實驗教師對于課程設置更多的自由，以合理安排教學計劃，更有助于課程改革。

但單獨設課則需要將實驗課程與理論課程分成兩個學期進行，理論和實踐相對不夠連貫，不利于培養學生學以致用的綜合能力。

文獻[10]中認為實驗課程教學可以從優化實驗課的組織實施和實驗項目內容的改進兩方面進行改革。

實驗課的組織和實施方面要開放實驗室，并與科研課題相結合。由于正常教學時間內每位同學親手操作實驗的時間難以得到保證，則開放實驗室制度可以為對本課程有濃厚興趣的同學提供充足的實驗時間。另外，設計性實驗需要寬松的條件以完成內容設計、原材料準備、實驗、調試等工作。

實驗項目內容方面，首先，基礎性實驗項目如水泥性質實驗，可以增加分析水泥的種類、摻合料的影響，并且各小組之間的數據可以共享。混凝土性能則可以由教師或學生設計更為復雜的綜合性實驗。此外，若有實驗條件，可加入混凝土及增強纖維的長期性能實驗，增加學生對于混凝土耐久性方面的了解。

文獻[11]中提出如下改革思路：改革應從教學模式、內容、體制、手段等方面進行。具體到實驗的課堂實施，實驗準備部分應包含多個分項實驗以組成綜合性實驗，實驗過程方面，建議由學生講解設計的實驗步驟，教師僅做核查、建議工作，賦予學生更大的自由度和主動性。但教師應對學生數據的真實性當堂進行核實，對于實驗數據出現明顯錯誤或偏差的小組，應指導其找到原因，并給予再次實驗的機會與時間。得出實驗結果后則督促學生獨立完成實驗數據的分析，歸納結論，撰寫實驗報告。

通過對國內多所著名高校土木工程材料試驗課程改革的對比，發現土木工程材料實驗的內容、與設計方面的改革創新相對較少。針對這一現狀，提出如下改革建議：

(1) 豐富實驗項目。① 增加基礎性實驗，如：混凝土抗壓、抗折等力學性能實驗；② 增設探究綜合性實驗，如鋼筋混凝土拉拔、混凝碳化、混凝土干濕循環、混凝土凍融循環、混凝土氯離子滲透、混凝土腐蝕耐磨等專項實驗，這些綜合實驗既能結合任課老師的課題來做，還可以把同學們分組，設計有不同變量的實驗達到課題對比分析的目的；③ 設置個性化實驗、增設新試驗、涉及新材料、新設備等創新實驗，如纖維混凝土、高性能混凝土、再生混凝土等新型混凝土的研發。

(2) 培養學生興趣。采用以符合當代土木工程發展趨勢的新型材料為主體的新試驗作為教學內容能大大激發學生對于課程的興趣，類似于當木材和石材還是主流建筑材料時鋼筋混凝土出現給人的新奇感，可以研究新型材料，如纖維、納米材料等。這種情況下，平時表現不佳，對于實驗課程毫無興趣的學生會產生動手操作、感受新型材料的欲望。此外，部分更有探索精神的學生會去深層次思考新型材料性能優于傳統材料的原因，這時教師若加以引導，甚至將其納入自己科研工作組中參加相關研究，那么這部分學生通過實驗課程得到的收獲將從目前教學方法的了解傳統基礎性實驗的操作方法、結果，轉變為動手、創新和科研能力的提高。

(3) 設立創新項目與競賽，提升學生主動性。近年來，升學保研成為了趨勢，設立不同的創新項目，可以促使學生積極參與進來，以豐富本科期間學術水平，更能使學生提前感受讀研的科研工作，熟悉科研任務與流程。

3 聚丙烯纖維水泥基材料抗拉實驗

為了提高實驗課程的教學效果，筆者引入纖維水泥基材料抗拉綜合性試驗。

3.1 選擇纖維水泥基復合材料作為試驗基礎意義

傳統的實驗課程都是培養學生對土木材料的初步認識，所以實驗均為驗證性實驗，缺乏對學生思維創新的培養，對此，選擇特殊材料的綜合性試驗為研究對象，既可以在已有基礎上加強學生的理解，也能讓學生對比已知的傳統混凝土材料性能特點，發現新材料的優勢，豐富知識面，還可以拓寬學生眼界，使其獨立思考、創新等多方面的能力得到培養。

傳統混凝土材料抗拉強度低、韌性差，破壞時往往是拉應力達到抗拉強度而發生脆性破壞。破壞產生的裂縫會加快結構鋼筋銹蝕的速度，從而導致構件受力性能衰退，進而造成工程事故。運用類似于在素混凝土構件中適當配置鋼筋，在混凝土達到抗拉強度開裂退出工作之后以鋼筋承受拉應力的思路，在傳統水泥基材料中適當摻入抗拉性能與韌性良好的纖維材料，以彌補傳統水泥基材料的這種缺陷。

3.2 現有混凝土等復合材料抗拉試驗存在的弊端

現有的纖維水泥基材料抗拉實驗存在著誤差大、困難多、成功率差、操作粗糙馬虎等問題。具體表現為以下幾方面：

(1) 實驗程序簡單、不規范。現階段，抗拉實驗采取劈拉或者單軸拉伸，操作過程中只是把試件簡單地放入實驗儀器，對于細節沒有規范操作，比如試件擺放的角度，偏心受拉等問題。

(2) 實驗結果誤差大。由于夾具與試件之間存在滑移、錯動、移位等問題，安裝過程中試件與受拉夾具安裝粗糙等問題均會造成拉伸位移變形及應變存在誤差，應力-應變曲線中明顯存在一段滑移區，使得數據可靠性降低。

(3) 單軸拉伸試驗設備簡單、測試結果精確度差。單軸拉伸試驗一般采用萬能實驗機進行測量，直接使用夾具固定試件，試驗機數據采集系統讀數，由于數據直接來源于采集系統，采集系統設置采集速率較大，并且數據有效數字為固定值，數據精度問題無法保證。

3.3 聚丙烯纖維水泥基復合材料抗拉試驗教學設計

3.3.1 試驗原材料

PP纖維可根據高校實際情況就近采購，其他材料[12]包括P.O.42.5級水泥、I級粉煤灰、自來水。

3.3.2 試驗配合比設計

由于本實驗的教學目的是引導學生探索PP纖維水泥基材料抗拉性能的增強效果，并研究粉煤灰膠凝材料對復合材料拉伸性能的影響，試驗配合比如表2所示。

表2 試驗配合比設計

3.3.3 試驗方法、試件制作及結果匯總

可供選擇的抗拉實驗方法有軸拉試驗、薄板直拉試驗和劈裂抗拉試驗。由于軸拉試驗測試結果精度好、準確率高，故推薦進行單軸抗拉試驗測得復合材料的抗拉強度。

(1) 軸拉試驗試件尺寸。直接拉伸試驗中，為了盡量避免拉力在厚度上產生偏心[13]，往往采用啞鈴型薄板試件。試件使用鋼模澆筑，厚度13 mm，標距為80 mm，最大變形量限制在10%。試件詳細尺寸如圖1所示。

圖1 單軸拉伸試件尺寸(mm)

(2) 實驗設備。采用實驗室型號為WDW-10的微機控制電子萬能試驗機進行直接拉伸試驗，加載速度以位移控制，加載速率為0.1 mm/min[13]；用應變采集儀LVDTs兩個對試件中間等截面段的位移變化值，標距段跨距為80 mm。圖2所示為單軸拉伸加載及數據采集裝置示意圖。

(3) 結果分析。在圖3中，當養護溫度在20 ℃不變時，粉煤灰摻量在40%時材料的最大拉應力最大，極限拉應變也為最大值，極限拉應變達到4%以上，極限拉應力接近2.7 MPa，展現了優異的拉伸韌性；煤灰摻量為30%時其拉伸韌性所有減弱，極限拉應變及拉應力均有所減小，其極限拉應變值接近3%，極限拉應變為2.0 MPa，但仍呈現出應變硬化的特性；粉煤灰摻量70%時材料的拉伸能力最差，最大拉應變與拉應力明顯減小，僅有0.6%，最大拉應力為1.8 MPa，但也能體現高韌性材料的應變硬化特性；此外，不難看出各組纖維增強水泥基復合材料試件的直接拉伸試驗應力-應變曲線均表現出一定的應變硬化特性：試件在開裂后承載能力不降反增的現象，再出現裂縫并持續受力時，應變增加的同時，應力不降反緩緩增長。與普通混凝土拉伸破壞不同，復合材料出現多縫開裂，可以看出韌性好。此外，水泥基復合材料的應力-應變曲線能夠直觀地反映出材料在拉力荷載作用下優良的的抵抗變形能力和韌性性能[14]。

圖2 單軸拉伸加載及數據采集裝置示意圖

圖3 單軸直接拉伸應力(σ)-應變(ε)曲線

綜上所述，聚丙烯纖維增強水泥基復合材料展現出了良好的韌性性能，其極限拉應變值達到3%-5%，幾乎是普通混凝土的300倍；此外，在拉伸過程中，明顯呈現出偽應變-硬化特性，為日后應用工程提供了良好的理論基礎[14]。

3.3.4 試驗設計拓展

將土木工程材料試驗單獨設課的高校可以適當對纖維水泥基材料的力學、耐久性等性能試驗進行拓展，比如按照《水泥膠砂強度檢測方法》(ISO法)進行抗壓、抗折強度等基本力學試驗及抗沖擊、四點彎曲、斷裂韌性等力學實驗，并補充碳化、硫酸鹽腐蝕、凍融循環、干濕循環、高溫等單項或多項耦合試驗。

4 結 語

近年來土木工程材料課程試驗與實際應用之間存在的脫節現象越來越顯著，對于實驗教學的改革和創新勢在必行。

(1) 發現和分析我國高校課程實驗教學中存在的問題，吸取多所著名高校已有改革理念、措施及經驗教訓，提出了相應的改革建議，并以聚丙烯纖維水泥基復合材料抗拉綜合性試驗為例展示了一個切實可行的本科實驗拓展思路。

(2) 選擇PP纖維水泥基復合材料作為課程試驗可以達到向學生展示新型改良材料的突出性能，激發其學習興趣，鍛煉動手能力的教學目標，而教育改革創新難度與成本又相對較低。

(3) PP纖維水泥基復合材料展示出了優良的韌性，其極限拉伸應變是混凝土的300倍；此外，纖維水泥基材料在拉伸過程中表現出了明顯的應變硬化特性，應力-應變曲線包絡面積明顯大于普通混凝土，在受到荷載作用時，可以有效延緩損傷時程。

(4) 與普通混凝土相比，纖維水泥基材料的研發過程更復雜、考慮的因素更多，實驗過程中的注意實驗、表現出的實驗現象都值得思考研究，這不僅可以達到課程老師的課題要求、完成課題任務，而且對于學生各方面的能力鍛煉有明顯的幫助作用。

(5) 與傳統的驗證性實驗相比，PP纖維水泥基復合材料的制作與試驗工程涉及了攪拌工序、養護方式、實驗儀器的搭配設計與調試工作、實驗進行時的問題解決情況、實驗數據匯總及整理、成果分析與思考、期刊學術論文的創作等內容，細節內容更豐富、獨立動手要求更高、鍛煉價值更大，這為實驗課程的改革指明了一條創新途徑，提供了一個便捷、可行性較強的創新實例。

(6) 新思路將改革方向著重于實驗本身對我國當前階段建設的適用性和時效性，借助新材料激發學生的學習興趣和動力，從而培養學生的實踐、創新及科研能力。新思路為土木工程材料課程實驗教學改革提供了一個新的方向，值得推廣和延伸，但如何真正提高實驗課程的教學質量仍須長期研究和實踐。