劉 品

(成都大學(xué)建筑與土木工程學(xué)院,四川 成都 610106)

隨著科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展,我國對科技、人才、創(chuàng)新的需求越來越緊迫。黨的二十大報告提出,深入實施科教興國戰(zhàn)略、人才強國戰(zhàn)略、創(chuàng)新驅(qū)動發(fā)展戰(zhàn)略[1],體現(xiàn)了科教融合和創(chuàng)新發(fā)展的鮮明導(dǎo)向。高等院校肩負著人才培養(yǎng)和科技創(chuàng)新的雙重使命。如何培養(yǎng)適應(yīng)新時代的創(chuàng)新人才,成為高校需要面臨的重要任務(wù)。在國家的重點支持建設(shè)下,很多高校的科研水平有了顯著的進步,眾多領(lǐng)域的研究成果取得了重大突破,有力推動了我國經(jīng)濟社會和科技產(chǎn)業(yè)的進步[2-4]。但部分高校教師在科研任務(wù)的壓力下,出現(xiàn)了重科研、輕教學(xué)的問題[5-7]?？萍紕?chuàng)新需要依靠人才,人才的培養(yǎng)也需要借助科學(xué)研究,二者相輔相成。教學(xué)是人才培養(yǎng)的基本形式,教育部《關(guān)于深化本科教育教學(xué)改革全面提高人才培養(yǎng)質(zhì)量的意見》[8]中明確提出高校應(yīng)積極推動“科研反哺教學(xué)”,要求高校教師及時將最新科研成果轉(zhuǎn)化為教學(xué)內(nèi)容,探索創(chuàng)新型人才培養(yǎng)的新路徑。

近年來,隨著“一帶一路”戰(zhàn)略和西部大開發(fā)新格局的深入推進,川藏鐵路、沿江高鐵、渝昆高鐵等重大工程的建設(shè)逐步加快,對土建交通專業(yè)的人才質(zhì)量有了更高的要求[9-11]。教師在講授專業(yè)基礎(chǔ)知識的同時,還應(yīng)注重學(xué)生創(chuàng)新和實踐能力的培養(yǎng)。作為土木建筑類專業(yè)的專業(yè)基礎(chǔ)課,建筑材料是一門典型的“理論+實驗”課程,其中的實驗教學(xué)部分是培養(yǎng)學(xué)生運用理論知識解決實際工程問題,提升學(xué)生實踐創(chuàng)新能力的重要環(huán)節(jié)。但目前該課程的實驗內(nèi)容不夠豐富,缺乏與實際工程的關(guān)聯(lián),且教學(xué)形式比較單一,主要采用教師講解和學(xué)生按步操作的方式,學(xué)生參與探索實踐的程度較低,無法有效提升學(xué)生的創(chuàng)新能力[12]。

鑒于上述問題,本文結(jié)合當前的熱點工程問題,以高地溫隧道噴射混凝土的變形性能為例,將前期的科研成果轉(zhuǎn)化為建筑材料課程的創(chuàng)新性實驗教學(xué)資源,激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和科研熱情,提升學(xué)生的創(chuàng)新意識和綜合分析問題的能力。本文的研究內(nèi)容,可為科研項目反哺該類課程的創(chuàng)新性實驗提供一定的借鑒。

1 高地溫環(huán)境噴射混凝土自由收縮試驗

1.1 研究背景

隨著新時代西部大開發(fā)戰(zhàn)略的深入實施,我國西部山區(qū)橫貫東西、縱貫?zāi)媳钡倪\輸通道建設(shè)持續(xù)推進,隨之出現(xiàn)的高地溫問題也十分突出。比如,正在建設(shè)的川藏鐵路穿越川西地熱異常帶和藏東地熱溫泉帶,沿線出露溫泉700余處,約有15座隧道存在高地溫問題。隧道高地溫通常表現(xiàn)為兩種形式:1)在富含地下水的圍巖中,熱水通過圍巖裂隙流動,將地熱傳遞到隧道內(nèi),這就形成了濕熱環(huán)境。2)在幾乎無水的圍巖中,熱傳遞發(fā)生在巖石內(nèi)部,地熱通過巖石傳遞到隧道的圍巖表面,這即是干熱環(huán)境。

高地溫環(huán)境中混凝土的變形性能不同于常溫環(huán)境,特別是在干熱環(huán)境中,混凝土水分迅速散失,產(chǎn)生較大的干縮,早期嚴重的收縮容易造成混凝土脫粘開裂,降低支護結(jié)構(gòu)的安全性和耐久性[13-16]。因此,開展高地溫隧道噴射混凝土變形性能的研究具有非常重要的意義,同時可為國家培養(yǎng)滿足重大戰(zhàn)略工程需求的技術(shù)人才。

1.2 試驗過程

為了讓學(xué)生盡快參與到試驗中,首先向?qū)W生介紹該試驗的工程背景、噴射混凝土配合比的設(shè)計依據(jù)以及自由收縮變形的測試方法。然后,讓學(xué)生總結(jié)噴射混凝土與普通混凝土配合比的差異,并參與混凝土的成型、養(yǎng)護及變形的測試,鍛煉學(xué)生的思考和動手能力。最后,指導(dǎo)學(xué)生對試驗數(shù)據(jù)進行處理,并嘗試用所學(xué)理論知識對試驗結(jié)果進行分析。

試驗所用原材料如表1所示,根據(jù)JGJ 55—2011普通混凝土配合比設(shè)計規(guī)程、GB 50086—2015巖土錨桿與噴射混凝土支護工程技術(shù)規(guī)范和JGJ/T 372—2016噴射混凝土應(yīng)用技術(shù)規(guī)程設(shè)計隧道工程中常用的C25噴射混凝土,并通過添加減水劑調(diào)整坍落度為100 mm～120 mm。為分析溫度對噴射混凝土變形性能的影響,設(shè)置了20 ℃標準養(yǎng)護環(huán)境(20-標)、50 ℃和70 ℃濕熱環(huán)境(50-濕、70-濕)以及50 ℃和70 ℃干熱環(huán)境(50-干、70-干)五種環(huán)境工況。

表1 原材料參數(shù)

考慮到成本和實驗室內(nèi)的可操作性,本文采用模筑法代替濕噴法成型混凝土試件,分析高地溫環(huán)境對混凝土變形性能的影響規(guī)律。分別利用恒溫水箱和恒溫烘箱模擬濕熱及干熱環(huán)境。參照GB/T 50082—2009普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準中混凝土收縮試驗的接觸法,測定各工況混凝土試件的初長及達到預(yù)定齡期后的長度(如圖1所示),從而可獲得各工況混凝土在不同齡期的變形值。

1.3 試驗結(jié)果

不同環(huán)境條件下各齡期混凝土試件的變形見圖2。

由圖2可知,標準養(yǎng)護環(huán)境和干熱環(huán)境下混凝土總體產(chǎn)生收縮變形,而濕熱環(huán)境下混凝土產(chǎn)生了膨脹變形。受溫度和濕度的綜合影響,7 d～45 d齡期,標養(yǎng)環(huán)境混凝土的收縮率略小于50 ℃干熱環(huán)境,而在60 d后略微反超。20-標和50-干工況混凝土的收縮率均大于70 ℃干熱環(huán)境,這是收縮與更大的熱脹綜合作用的結(jié)果。在濕熱環(huán)境中,混凝土在濕脹和熱脹共同作用下產(chǎn)生了膨脹變形,70-濕的膨脹率在每個齡期都高于50-濕,28 d后70-濕的膨脹率約為50-濕的2倍。

通過教師引導(dǎo)、學(xué)生參與的方式,整個試驗可使學(xué)生對混凝土的原材料參數(shù)、外加劑作用、配合比設(shè)計方法,以及變形性能等教材內(nèi)容有更直觀深刻的理解,同時熟悉了相關(guān)規(guī)范,掌握了混凝土收縮變形的測試方法,提高了處理和分析試驗數(shù)據(jù)的能力,有效發(fā)揮了科研項目對實驗教學(xué)的反哺作用。

2 干熱環(huán)境混凝土與巖石的約束收縮試驗

2.1 方案制定

隧道工程中,噴射混凝土黏結(jié)在圍巖表面,其收縮將受到圍巖的約束作用,從而使噴射混凝土產(chǎn)生拉應(yīng)力,而干熱環(huán)境中混凝土收縮變形較大,更容易產(chǎn)生界面裂縫。因此,有必要對干熱環(huán)境混凝土的約束收縮性能進行研究。

通過前期的自由收縮試驗,學(xué)生對建筑材料試驗的流程有了一定了解,為了提高學(xué)生自主創(chuàng)新的能力,本試驗讓學(xué)生主導(dǎo)方案設(shè)計與數(shù)據(jù)分析,教師提供建議促進試驗成功開展。

為了進一步探索抑制干熱環(huán)境混凝土收縮的措施,針對80 ℃干熱環(huán)境,學(xué)生設(shè)置了基準配合比(80-BP)、基準配合比+體積比1%的鋼纖維(80-SF)和基準配合比+體積比1%的鋼纖維+水泥質(zhì)量5%的減縮劑(80-SF+SRA)三種工況。由于常用的接觸法測試收縮時需要將試件從烘箱中搬出,費時、費力且易受環(huán)境干擾,影響測量精度,而非接觸法的測定儀器在高于40 ℃的環(huán)境中無法正常工作。所以,學(xué)生經(jīng)過文獻查閱、小組研討與優(yōu)化改進,設(shè)計了一種適用于干熱環(huán)境混凝土-巖石約束收縮測試的裝置,如圖3所示。將該裝置安裝在混凝土-巖石復(fù)合試件上,并放入80 ℃烘箱中養(yǎng)護。讀取千分表的初始讀數(shù)L0和齡期t時的讀數(shù)Lt,則混凝土的約束收縮率εst可通過式(1)計算。

(1)

其中,Lb為試件的測量標距。

2.2 結(jié)果分析

三種工況的試件在測點1和測點2處的約束收縮率曲線如圖4所示。

由圖4可知,80 ℃干熱環(huán)境中由于高溫引起的熱脹作用,混凝土在試驗初期表現(xiàn)出膨脹變形,隨著齡期增長收縮不斷增大,開始產(chǎn)生明顯的收縮變形,且前10天收縮快速增長,隨后增速變緩,28 d后基本趨于穩(wěn)定。摻加鋼纖維后混凝土的收縮變形顯著降低,在此基礎(chǔ)上摻加減縮劑后,收縮變形得到進一步抑制,28 d齡期時80-SF和80-SF+SRA在測點1的收縮率分別比80-BP降低了18.7%和44.7%。這是由于鋼纖維散布形成的纖維網(wǎng)格在混凝土收縮時產(chǎn)生的拉應(yīng)力抑制了收縮變形,且鋼纖維的高導(dǎo)熱系數(shù)減少了溫度快速變化而產(chǎn)生的體積變形。而減縮劑可降低毛細孔溶液的表面張力并增大其黏度,從而減小失水時產(chǎn)生的收縮應(yīng)力,抑制了收縮變形,且一定程度上克服了膠凝材料間的凝聚力,從而產(chǎn)生微膨脹抵消一部分收縮變形。對比圖4(a)和圖4(b)可知,測點1處的收縮變形明顯小于測點2處,這是由于界面處的混凝土受到了巖石的約束作用,所以距離界面越遠收縮變形越大。

為獲得收縮率與試驗齡期間的數(shù)學(xué)關(guān)系,分別采用指數(shù)、對數(shù)和雙曲線三種函數(shù)對二者進行擬合,表2給出了各工況的擬合度,可以發(fā)現(xiàn)指數(shù)函數(shù)的擬合效果最好,其中80-BP測點1的擬合曲線如圖5所示。

表2 各函數(shù)對約束收縮率的擬合度

通過學(xué)生主導(dǎo)、教師促進的方式,學(xué)生自主完成整個創(chuàng)新拓展試驗,明白了混凝土中摻加纖維材料的作用和目的,了解了減縮劑的作用機理,且提升了團隊協(xié)作、開拓創(chuàng)新的意識以及自主分析和解決問題的能力。

3 混凝土-巖石約束收縮力學(xué)模型

為提升學(xué)生在學(xué)科交叉方面的融合貫通能力,培養(yǎng)高素質(zhì)復(fù)合人才,在完成約束收縮試驗的基礎(chǔ)上,鼓勵學(xué)生利用所學(xué)的材料力學(xué)知識建立混凝土-巖石的約束收縮力學(xué)模型。

約束收縮試件成型后,混凝土產(chǎn)生的收縮受到巖石的限制和約束,所以在黏結(jié)面上混凝土將產(chǎn)生拉力Fc(t),巖石則會產(chǎn)生壓力Fr(t),且易知(見式(2)):

Fc(t)=-Fr(t)

(2)

根據(jù)力的等效合成原理,混凝土和巖石截面上的應(yīng)力計算公式分別見式(3),式(4):

(3)

(4)

其中,Ac和Ar分別為混凝土和巖石截面的面積;Mc(t)和Mr(t)均為截面上的彎矩;yci和yri均為距截面形心軸的距離;Ic和Ir均為截面形心主軸的慣性矩。

混凝土和巖石截面上的彎矩可由式(5),式(6)計算:

Mc(t)=Fc(t)yc0

(5)

Mc(t)=Fc(t)yc0

(6)

σc(t)=Fc(t)gci

(7)

σr(t)=Fr(t)gri

(8)

考慮混凝土收縮徐變的影響,忽略巖石的徐變,根據(jù)應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系及界面處的應(yīng)變協(xié)調(diào)等關(guān)系,整理可得巖石-混凝土界面的約束力計算公式見式(9):

(9)

其中,Ec(t)和Er(t)分別為混凝土和巖石的彈性模量;εc0(t)為自由收縮值;φ(t,t0)為徐變系數(shù);χ(t,t0)為老化系數(shù)。

利用以上公式可計算得到各工況的界面約束力,如圖6所示,可以看出鋼纖維可以顯著降低界面約束力,復(fù)摻減縮劑后界面約束力進一步降低。圖7給出了80-BP工況混凝土截面上的應(yīng)力分布情況,結(jié)果顯示隨著到黏結(jié)面距離的增大,混凝土拉應(yīng)力逐漸減小,并逐漸從拉應(yīng)力區(qū)過渡到壓應(yīng)力區(qū)。

通過學(xué)科交叉、進階提升的方式,學(xué)生經(jīng)過理論推導(dǎo)建立了約束收縮力學(xué)模型,學(xué)會了靈活應(yīng)用力學(xué)知識解決實際問題,綜合能力有了顯著提升。

4 結(jié)語

本文基于教育部提出的推動“科研反哺教學(xué)”,以建筑材料課程的創(chuàng)新性實驗為研究對象,依托高地溫隧道噴射混凝土變形性能的研究課題,探索了科研反哺教學(xué)在試驗教學(xué)中的實踐方式與成效,主要結(jié)論如下:1)科研項目通過合理轉(zhuǎn)化可以為創(chuàng)新性實驗提供豐富的教學(xué)資源,能夠促進科研成果反哺本科教學(xué),實現(xiàn)科研與教學(xué)的共同進步。2)“先參與,再主導(dǎo)”是一種有效的實驗教學(xué)方法,即:先讓學(xué)生參與基礎(chǔ)試驗,快速熟悉試驗背景和基本流程,再讓學(xué)生主導(dǎo)拓展試驗,提高自主創(chuàng)新和綜合解決問題的能力。3)實驗教學(xué)中可適當進行學(xué)科交叉,培養(yǎng)學(xué)生的融合貫通能力,促進高素質(zhì)復(fù)合人才的形成。