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(shí)代的發(fā)展,社會(huì)對(duì)于大學(xué)生的綜合能力的要求越來(lái)越迫切。培養(yǎng)具有扎實(shí)基礎(chǔ)理論和專(zhuān)業(yè)知識(shí)、較強(qiáng)實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力、寬闊國(guó)際視野和強(qiáng)烈社會(huì)擔(dān)當(dāng)意識(shí)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(dòng)大學(xué)教育進(jìn)步,提高學(xué)生綜合能力的最強(qiáng)驅(qū)動(dòng)力之一。隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)型和各個(gè)領(lǐng)域的產(chǎn)業(yè)變革,對(duì)于創(chuàng)新型人才的要求日益強(qiáng)烈[1-4]。習(xí)近平總書(shū)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(duì)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(zhuān)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(duì)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(guò)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(duì)于超高性能混凝土力學(xué)性能的認(rèn)識(shí),還可以鍛煉學(xué)生制訂實(shí)驗(yàn)方案、協(xié)同開(kāi)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(zhuān)業(yè)學(xué)生具有一定的專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ),對(duì)普通混凝土力學(xué)性能實(shí)驗(yàn)有初步認(rèn)識(shí),因此具有獨(dú)立開(kāi)展基本力學(xué)性能實(shí)驗(yàn)的潛力。同時(shí),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(shí)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(cè)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(dòng)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(kāi)。首先,要求學(xué)生查詢(xún)、閱讀超高性能混凝土相關(guān)文獻(xiàn),提高對(duì)其力學(xué)特性的認(rèn)識(shí)。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(bào),充分討論實(shí)驗(yàn)方案的可實(shí)施性和存在的問(wèn)題,最后由導(dǎo)師對(duì)實(shí)驗(yàn)方案中的存在的問(wèn)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(guò)。在實(shí)驗(yàn)實(shí)施過(guò)程中,由學(xué)生小組獨(dú)立完成實(shí)驗(yàn)工作,小組中各個(gè)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(guò)程允許失敗,但應(yīng)提出對(duì)應(yīng)解決方案,以提高學(xué)生獨(dú)立自主解決問(wèn)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(jì)

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(duì)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(shí),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(shí)避免試塊過(guò)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(gè)試件,其中2組用來(lái)測(cè)試立方體抗壓強(qiáng)度,一組用來(lái)測(cè)試立方體劈裂抗拉強(qiáng)度。

圖1 立方體試塊(單位:mm)

為測(cè)試超高性能混凝土軸心抗壓強(qiáng)度,設(shè)計(jì)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(gè)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(jiǎn)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(kāi)始攪拌。鋼纖維在干料攪拌過(guò)程中逐步添加,添加完畢后,攪拌3 min。

(2) 精確稱(chēng)量所需水的重量,將水加入到攪拌機(jī)中,加水時(shí),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(shí),發(fā)現(xiàn)混合料在加水?dāng)嚢? min后,流動(dòng)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(dòng)性,符合工程應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn),因此,合適的攪拌時(shí)間對(duì)于UHPC同樣非常重要。塌落度測(cè)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(mǎn)足規(guī)范要求。測(cè)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(cè)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(cè)試步驟

根據(jù)實(shí)驗(yàn)方案,開(kāi)展超高性能混凝土力學(xué)性能測(cè)試,限于篇幅,此處僅對(duì)立方體抗壓試塊實(shí)驗(yàn)測(cè)試步驟進(jìn)行簡(jiǎn)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(shí)的頂面垂直,并使試件軸心與下壓板中心對(duì)準(zhǔn)。

(2) 開(kāi)動(dòng)實(shí)驗(yàn)機(jī),當(dāng)上壓板與試件或鋼墊板接近時(shí),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(jí)>C60,加載速度取0.8 MPa/s～1.0 MPa/s。

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

立方體抗壓強(qiáng)度按下式計(jì)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(duì)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(shí)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(méi)有出現(xiàn)典型的角錐破壞形態(tài)。實(shí)驗(yàn)測(cè)試完成后,由學(xué)生對(duì)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(duì)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(cè)到鋼纖維的連接作用,隨著主裂縫逐漸增長(zhǎng),可以清晰地聽(tīng)到鋼纖維拔出的聲音。卸載后,將破壞試塊分開(kāi),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(duì)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(hào)強(qiáng)度實(shí)測(cè)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(lèi)似,主裂縫均出現(xiàn)在對(duì)角線部位,破壞時(shí)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(hào)強(qiáng)度實(shí)測(cè)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(yǔ)

依托縱向科研項(xiàng)目,對(duì)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(guò)科研實(shí)踐項(xiàng)目,提高了學(xué)生的動(dòng)手能力、思考和解決問(wèn)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(cè)試,使學(xué)生熟悉并掌握了超高性能混凝土的制備過(guò)程和基本力學(xué)性能測(cè)試技術(shù),深刻認(rèn)識(shí)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(guò)程中,學(xué)生能夠創(chuàng)造性地分析和解決問(wèn)題,嚴(yán)謹(jǐn)務(wù)實(shí)、腳踏實(shí)地地開(kāi)展實(shí)驗(yàn),加強(qiáng)了團(tuán)隊(duì)溝通協(xié)作能力。通過(guò)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(guò)程中,通過(guò)相關(guān)科研項(xiàng)目開(kāi)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(shí)完成項(xiàng)目的科研工作,對(duì)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。