土木工程材料課程科研反哺教學研究
——以川藏鐵路高地溫噴射混凝土創新性實驗研究為例

崔圣愛， 符 飛， 陳 振， 張 猛， 李福海， 李固華

（西南交通大學土木工程學院，成都 610031）

0 引 言

教育部《關于深化本科教育教學改革全面提高人才培養質量的意見》（教高〔2019〕6 號）中強調圍繞學生忙起來、教師強起來、管理嚴起來、效果實起來，深化本科教育教學改革。文件針對“嚴格教育教學管理”這一主題，提出了“推動科研反哺教學”的意見，指出強化科研育人功能，推動高校及時把最新科研成果轉化為教學內容，激發學生專業學習興趣。加強對學生科研活動的指導，加大科研實踐平臺建設力度，推動國家級、省部級科研基地更大范圍開放共享，支持學生早進課題、早進實驗室、早進團隊，以高水平科學研究提高學生創新和實踐能力。科研與教學對于高校，尤其是研究型及研教型高校，都非常重要，科研與教學的相融及相輔相成，引起共鳴與廣泛思考，在各領域展開了一定的討論與探索［1-8］。

隨著軌道交通領域的蓬勃發展，面向國家重大需求，對于土木工程大類人才的培養，不能僅僅停留在傳統的認知和要求，而是需要培養理論基礎扎實，專業知識寬厚，具有創新能力和國際視野，能夠引領交通土建領域未來發展的領軍及高級專門人才。應培養其能根據工程項目的功能、特點、要求和實施條件，綜合考慮社會、健康、安全、法律、文化、倫理、環境及可持續發展等因素，設計（開發）針對土木工程領域復雜工程問題的解決方案，并體現創新意識。能夠基于科學原理、采用科學方法，對土木工程領域復雜工程問題進行研究，包括設計實驗方案、開展實驗、采集數據、分析與解釋數據、并通過信息綜合得到合理有效的結論。

土木工程材料是土木工程專業的核心專業基礎課之一，主要從工程使用的角度去研究材料的原料、組成、生產、結構和構造以及環境條件等對材料性能的影響及其相互間關系的一門應用科學。課程的目的在于使學生獲得有關土木工程材料的基本理論、基本知識和基本技能，為學生學習相關專業基礎課程和專業課程提供土木工程材料的基礎知識，并為以后從事土木工程設計與施工能夠合理選用與研制土木工程材料和正確使用土木工程材料奠定基礎。土木工程材料課程與土木工程實踐密切相關，無論是橋梁、隧道或者結構工程領域，無論是水泥、混凝土還是砂漿和鋼材，它的學習離不開工程背景、工程應用及工程思考。土木建筑與土木工程材料發展相輔相成，隨著大土木結構角度發展越來越成熟，大土木的創新和發展離不開土木工程材料的發展。近些年，新型土木工程材料的發展及嚴酷服役環境下土木工程材料的研究不斷給大土木的發展提供契機和突破。基于此，本文以土木工程材料教學為研究對象或案例，思考和探討科研反哺教學的意義、作用及實施方式。

恰逢跨世紀超級工程川藏鐵路建設這一重大機遇和挑戰，川藏鐵路穿越橫斷山及西藏東南部高原、高山峽谷地帶，位于高地震烈度、高地應力、高地溫、高位能、高寒與高環境梯度的地區，是世界上科學與技術難題最多、難度最大、最為復雜艱險的交通工程。全線隧道總長達1 400 km，占線路總長的80%，川藏鐵路的難題凸顯在隧道建設，涵蓋大量的關鍵科學問題，引起全國乃至全世界的關注。基于此研究熱點，深度參與川藏鐵路的關鍵科學問題的基礎研究和應用研究工作，圍繞“川藏鐵路隧道高地溫環境噴射混凝土性能研究”為案例展開科研反哺教學的分析和討論。基于土木工程類課程教學相似性，與工程實踐密切結合，有大量的科研成果和工程案例依托，本文的研究為該類課程科研反哺教學方式可提供引導作用。

1 高地溫環境噴射混凝土性能科研反哺

1.1 工程背景

高巖溫與高溫熱水是川藏鐵路的重難點之一。川藏鐵路穿越地中海-喜馬拉雅地熱帶，全線有50 余處對線路影響的高溫熱泉，集中于深大活動斷裂處。雅昌段地質推測中等以上熱害隧道14 座，其中可能遭遇50 ℃以上地溫段落長達5.5 km，超過60 ℃以上地溫段落長達2 km。隧道中高地熱主要以兩種形式出現，一種是干熱，即在地質構造較好的地方，地質層內部熱量通過巖石傳到隧道表面。另一種是濕熱，即在斷裂破碎、斷裂轉折復合及巖石破碎地段，裂隙發育程度高，地下熱水比較容易富集，形成溫泉。

在高地溫環境下，無論是濕熱環境的早期高溫養護負效應，還是干熱環境噴射混凝土快速升溫與失水，均會導致水泥基材料微細觀結構劣化，這種劣化與混凝土物化收縮及界面非均勻溫度效應共同作用，使得噴射混凝土物理力學指標以及與巖石的粘結性能發生變化，可能出現強度倒縮加劇、系統體積穩定性變差以及與巖石粘結力嚴重損失，甚至脫粘開裂喪失支護作用。因此，高地溫環境噴射混凝土-巖石粘結強度的研究具有重要意義［9-12］。

1.2 噴射混凝土配合比設計及試件成形

噴射混凝土原材料情況為：水泥為P.O42.5R型；砂子為機制砂，細度模數Mx ＝2.7，石粉含量2.0%；碎石，符合5 ～15 mm連續級配；TK-SP 聚羧酸系減水劑；BASF無堿液體速凝劑；粉煤灰，細度7.1%，密度2.28 g/cm3；礦粉，比表面積420 m2/kg，密度2.83 g /cm3；剪切壓痕型鋼纖維，0.7 mm × 1 mm × 35 mm，公稱長度35.0 mm，抗拉強度遠大于380 MPa。

根據JGJ55-2011《普通混凝土配合比設計規程》、GB50086-2015《巖土錨桿與噴射混凝土支護工程技術規范》、JGJ/T 372-2016《噴射混凝土應用技術規程》及TB10424-2010《鐵路混凝土工程施工質量驗收標準》進行基準噴射混凝土（即未摻加礦物摻合料或纖維材料）配合比設計，強度等級為C25。濕噴成形噴射混凝土-巖石大板粘結試件，成形方式如圖1 所示。分別通過恒溫鼓風干燥箱和恒溫水箱模擬高地溫干熱環境和濕熱環境，成形后的試件進行對應環境養護，到規定齡期后測定粘結強度。

圖1 濕噴混凝土

科研反哺教學的內容：①認識混凝土原材料及基本參數；②噴射混凝土配合比設計；③減水劑和速凝劑的作用；④對于規范或標準的認知；⑤了解噴射混凝土施工工藝。

1.3 熱害對噴射混凝土-巖石粘結強度的影響

7 d和28 d 齡期高地溫干熱環境噴射混凝土-巖石粘結強度如圖2 所示。7 d和28 d齡期高地溫濕熱環境噴射混凝土-巖石粘結強度如圖3 所示。

圖2 不同齡期干熱環境噴射混凝土粘結強度對比

圖2所示表明，高地溫干熱環境下，噴射混凝土與巖石粘結強度嚴重倒縮，甚至噴射混凝土與巖石脫粘開裂。圖3 所示表明，高地溫濕熱環境下，35 ℃溫度相對不高，對粘結強度來說還算不上熱害，反而由于其較高的水化速度，促使其在研究齡期內比標準養護（20 ℃）的粘結強度更高些。在更高溫度情況下，特別是70 ℃情況，噴射混凝土與巖石的粘結強度出現了倒縮加劇的結果，熱害對粘結強度的不利影響通過試驗研究和分析已經充分體現。科研反哺教學的內容：①混凝土的養護方式；②混凝土養護目的；③養護條件對水泥水化及對混凝土強度發展的影響。

圖3 不同齡期濕熱環境噴射混凝土粘結強度對比

1.4 噴射混凝土-巖石粘結強度改善試驗研究

熱害環境噴射混凝土改善試驗以最不利工況70℃干熱環境和70 ℃濕熱環境開展探索研究。改善性試驗探索角度：①通過摻加礦物摻合料后，水泥用量減少，水化放熱降低，溫度升高減緩，溫度引起的變形減小。另外，水化溫度降低，水泥水化速度減小，也使水泥的水化更加充分，擴散容易，水化產物外殼不易形成，早后期強度均衡；②希望通過摻加纖維材料，抑制收縮，增加混凝土密實性和質量穩定性，減小混凝土因各種原因引起的開裂可能。基于以上兩個方面的思考，進行粘結強度改善試驗，所設計工況及符號說明見表1。干熱環境和濕熱環境下噴射混凝土-巖石粘結強度結果如圖4 所示。

表1 試驗設計工況及說明

圖4（a）所示表明，干熱環境下，摻加礦物摻合料措施不可行，盡管礦物摻合料代替部分水泥，減小水化熱，但是遠難以彌補由于其早期水化速度慢，干熱環境失水過快導致的粘結強度發展很慢或停滯。而摻加鋼纖維后，混凝土在高溫下更快地達到內部溫度的均勻一致，從而減少溫度梯度產生的內部應力，減少內部損傷。同時，借助鋼纖維界面上的黏著力、摩阻力、機械咬合力，阻止或阻滯原有裂縫的開展，顯著改善了界面性能，提高了粘結強度。摻加聚丙烯纖維原則上可以發揮類似鋼纖維增強界面的作用，但是試驗結果表明，不僅沒能改善反而粘結強度降低了，主要由于70 ℃干熱環境下，聚丙烯纖維材料失去應有的韌性，甚至長期處于這種環境下，會發生老化。

圖4 不同環境下不同配合比粘結強度對比

圖4（b）所示表明單摻鋼纖維、聚丙烯纖維或雙摻纖維對濕熱環境下粘結強度沒有改善，反而略有降低。摻加25%礦粉或25%粉煤灰改善效果較明顯，粘結強度分別提高了17.7%和28.4%。但是，值得注意的是，雙摻礦物摻合料（25% SP ＋20% FA）粘結強度基本沒有變化，沒能發揮改善的作用。綜合分析認為：摻加粉煤灰或礦粉后水泥用量減少，水化放熱降低，溫度升高減緩，溫度引起的變形減小。另外，水化溫度降低，水泥水化速度減小，也使水泥的水化更加充分，擴散容易，水化產物外殼不易形成，早后期強度均衡，也就是說減小了高溫早期養護效用，所以粘結強度得到改善。但如果摻加過多的摻合料的話，水化速度慢，早期強度低，對界面的發展反而不利。

科研反哺教學的內容：①活性混合材料的概念及常用的活性混合材料；②摻加混合材的水泥的水化特點；③活性混合材料（或礦物摻合料）對水泥基材料水化性能的影響；④混凝土中常用的纖維材料及摻加纖維材料的作用和目的。

2 科研反哺教學對應歸納及推廣實施

2.1 對應章節及知識點

以我校土木工程材料課堂教學所使用的教材《建筑材料（3 版）》（西南交通大學出版社）為素材，把科研成果及創新試驗研究結果反哺課堂教學對應知識點進行梳理，如表2 所示。

表2 反哺課堂教學章節及知識點

從表2 可見，創新試驗研究成果都可以和課程章節具體知識點相對應，這種對應可以讓學生很清晰地建立知識架構，建立理論知識在實際工程中的應用方向和途徑，可以大幅度提高學習樂趣和積極性，而且理解的深度也更加透徹。根據表2 所示的科研反哺，可以促使學生理解并深入思考重要啟發性問題：①養護溫度和濕度對于水泥或混凝土的水化進程有什么影響？進一步如何影響混凝土強度的發展？②為何實際工程中現在越來越多地摻加礦物摻合料？它對混凝土性能的影響怎么樣？③纖維增強混凝土應用廣泛，混凝土中常用的纖維有哪些？不同纖維在混凝土中發揮怎樣作用？對應用環境條件有何要求？

通過科研反哺的方式，最大程度實現科研和教學的完美融合，及時有效地把科研成果應用于教學中。

2.2 推廣和實施

上述案例僅僅是一項科研項目中部分科研成果及創新型試驗的體現，已經反哺到教學環節中多個知識點。高校教師工作特點是科研和教學并重，承擔著多項國家自然科學基金、國家重點研發項目、中國鐵路總公司科技計劃項目、省科技計劃項目等重大課題，每一項課題的研究，無論是基礎研究還是應用研究，都是服務于解決實際工程問題，因此都可以進行總結和梳理，對應具體的知識點，反哺教學。

高校各課程都應該加強科研反哺教學，真正的把科研成果及創新型試驗融入教學中，實現科研成果價值最充分的展現，也實現教學效果的全面提高。建議實施方式可以由課程負責人組織教學改革會議，宣貫科研反哺的意義，組織課程各位任課教師收集和整理自己已經完成和正在執行的科研項目，并結合教材梳理科研成果對應的知識點，并詳細分析通過對應每一條反哺學生能夠獲得的啟發、心得和收獲。然后，對所有的科研反哺以對應知識點為線進行分項匯總，并建立電子存檔庫，教學團隊對匯總資料進行學習，整理授課思路，根據課堂教學情況科學選擇并合理利用，充分體現科研寓于教學，緊密聯系實際，提高教學活力。

3 結 語

根據教育部《關于深化本科教育教學改革全面提高人才培養質量的意見》中“推動科研反哺教學”的意見，以土木工程材料教學為研究對象，通過川藏鐵路高地溫環境噴射混凝土科研及創新型試驗為案例，討論和分析了科研反哺教學的意義、價值和實施方式，主要結論包括：

（1）以高地溫環境對噴射混凝土-巖石粘結強度影響試驗研究及粘結強度改善試驗研究為例，分析影響規律和研究結論，并引導科研反哺教學的內容。

（2）結合授課教材，梳理科研反哺對應章節和對應具體知識點，建立理論知識在實際工程中的應用方向和途徑。

（3）基于授課教師已有的科研項目和科研成果，提出科研成果反哺教學的實施方式。

通過科研反哺教學，啟發和引導學生深入思考，提高課堂活力，發揮學生積極能動性，理解理論知識在實際工程中的應用，提高學生解決問題的能力。通過科學合理的科研反哺，實現科研價值和教學效果的最優體現。

·名人名言·

科學的靈感，決不是坐等可以等來的。如果說，科學上的發現有什么偶然的機遇的話，那么這種“偶然的機遇”只能給那些有素養的人，給些善于獨立思考的人，給那些具有鍥而不舍的精神的人，而不會給懶漢。

——華羅庚