黃顯彬+鄒祖銀+廖曼

摘要：土木工程材料課程試驗是熟悉國家技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，驗證和鞏固所學(xué)理論知識，培養(yǎng)學(xué)生動手和創(chuàng)新能力的重要環(huán)節(jié)。以水泥混凝土抗?jié)B試驗為例，針對傳統(tǒng)水泥混凝土抗?jié)B試驗過程復(fù)雜、試件密封困難、試驗成功率不高、試驗結(jié)果誤差大等問題，在保持現(xiàn)有抗?jié)B儀的試驗機理基本不變的前提下，通過不斷改進和總結(jié)，優(yōu)化創(chuàng)新傳統(tǒng)水泥混凝土抗?jié)B試驗儀及其試驗操作，首次提出通過適當(dāng)增大混凝土試件尺寸、增加內(nèi)部預(yù)埋引壓管等關(guān)鍵措施，直觀察看滲水路徑，提高抗?jié)B試驗的成功率。研究成果為土木工程材料課程及其它土木工程課程試驗與創(chuàng)新提供了參考，值得土木工程材料課程和其它課程教學(xué)借鑒；同時將為修改和逐步完善現(xiàn)行規(guī)范提供技術(shù)支撐，為土木工程中抗?jié)B結(jié)構(gòu)帶來社會和經(jīng)濟效益。

關(guān)鍵詞：土木工程材料課程；試驗；新型抗?jié)B儀；創(chuàng)新

中圖分類號：G64423；TU3-4 文獻標(biāo)志碼：A 文章編號：10052909（2017）02011905

土木工程材料課程作為高等院校“大土木”環(huán)境下土木工程、房屋建筑工程、道路工程、橋梁工程等專業(yè)的必修課、基礎(chǔ)課及專業(yè)課，在整個土木工程教學(xué)體系中起著承上啟下的作用[1]。其課程特點實踐性強、知識體系分散[2]；內(nèi)容繁雜、學(xué)時相對偏少[3]。尤其是土木工程材料試驗，它在培養(yǎng)學(xué)生實踐能力和創(chuàng)新能力方面有舉足輕重的作用[4-5]，既能增加學(xué)生動手操作的機會，加深課堂分散知識體系印象，充分理解理論與實踐的區(qū)別和聯(lián)系，熟悉試驗的目的和意義，又能激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新能力和科研興趣。

傳統(tǒng)土木工程材料試驗教學(xué)方法是教師在課堂上講，學(xué)生按照教師的指令一步一步地操作，試驗結(jié)束后撰寫并提交試驗報告[6]。學(xué)生雖動手做了試驗，但獨立思考不夠，積極主動性發(fā)揮不出來，不利于培養(yǎng)學(xué)生的動手能力和創(chuàng)新能力[7]。教師必須創(chuàng)新思路，以學(xué)生為主體，充分調(diào)動學(xué)生的積極性和主動性，使學(xué)生理解土木工程材料學(xué)科的基本思維方法，掌握分析手段，提高試驗技能和綜合能力[8]?？萍紕?chuàng)新分為原始創(chuàng)新和跟蹤創(chuàng)新兩種，技術(shù)上的屬于技術(shù)創(chuàng)新，學(xué)術(shù)上的是知識創(chuàng)新，建設(shè)上的是工程創(chuàng)新[9-11]。不少高校教學(xué)計劃中土

木工程材料課程理論學(xué)時較多，試驗學(xué)時相對偏少，如何在有限的學(xué)時下合理安排試驗內(nèi)容，最大限度地提高學(xué)生的動手能力和創(chuàng)新能力，值得思考。文章以水泥混凝土抗?jié)B試驗為例，針對現(xiàn)有水泥混凝土抗?jié)B儀的缺點，提出新型水泥混凝土抗?jié)B儀試驗機理，通過相應(yīng)的試驗研究和理論分析，重點闡述了土木工程材料課程試驗與創(chuàng)新。

一、研究背景

抗?jié)B混凝土廣泛使用在水工、水下、水中、地下和其它有抗?jié)B要求的土木工程中（如大壩混凝土、隧道支護混凝土，等等）。根據(jù)規(guī)范GB—T50082—2009《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》，采用HP-4.0抗?jié)B儀進行水泥混凝土抗?jié)B試驗，這一傳統(tǒng)方法沿用至今。長期實踐表明：傳統(tǒng)方法檢測混凝土抗?jié)B性能實現(xiàn)難度大，耗時長，成功率不高。如何準(zhǔn)確判定水泥混凝土抗?jié)B性能仍是一大難題，也成為了試驗檢測儀器設(shè)備、手段及相應(yīng)理論滯后于工程應(yīng)用。

目前國內(nèi)外對于混凝土抗?jié)B性能的研究有多種試驗方法，其中以傳統(tǒng)水壓力試驗法為主，分為穩(wěn)定流動法（constant flow method）、滲透深度法（depth of penetration method）和抗?jié)B標(biāo)號法[12-13]。R.P.Khatri and V.Sirivivatnanon 在研究中建立了穩(wěn)定流動法與滲透深度法之間的聯(lián)系，給出了兩種研究方法的選擇標(biāo)準(zhǔn)。究竟采用哪種試驗方法，取決于混凝土的28d抗壓強度F28C與齡期T之間的關(guān)系：

2.3（T）2+1.1（F28c）2>10 400時，采用滲透深度法；

2.3（T）2+1.1（F28c）2<10 400時，采用穩(wěn)定流動法。

中國試驗方法現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)中采用抗?jié)B標(biāo)號法，即采用現(xiàn)有抗?jié)B儀進行抗?jié)B試驗。該方法是滲透深度法的一種特例，特點是比穩(wěn)定流動法和滲透深度法簡單，適用于工程，但對于科學(xué)研究，該方法的研究數(shù)據(jù)太少[12]。中國現(xiàn)有抗?jié)B試驗規(guī)范頒布超過20年，存在諸多弊端。在大眾創(chuàng)新時代，土木工程專業(yè)本科教學(xué)需與時俱進，土木工程材料課程如何試驗與創(chuàng)新是相關(guān)教師和學(xué)生的新課題。新型水泥混凝土抗?jié)B儀的研制及其試驗研究項目，試圖采用獨特思維和技術(shù)路線來詮釋創(chuàng)新。

二、現(xiàn)有抗?jié)B儀及其試驗機理

（一）現(xiàn)有抗?jié)B儀概況

按照規(guī)范[14]現(xiàn)有抗?jié)B儀由套模（又稱“機架試?！保?個、臺面、支架、加壓系統(tǒng)、儲水罐和壓力控制系統(tǒng)等組成，利用密閉容器內(nèi)壓強處處相等的原理進行工作，如圖1。

（二）現(xiàn)有抗?jié)B儀試驗機理

按照規(guī)范[15]現(xiàn)有抗?jié)B儀試驗機理為：抗?jié)B試件以6個為一組（直徑和高度均為150 mm的圓柱體試件），試件成型后24 h拆模，一般標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護至28 d齡期進行抗?jié)B試驗。試件養(yǎng)護至試驗前一天取出，表面晾干后在其側(cè)面涂一層熔化的密封材料（一般為工業(yè)石蠟），隨即將試件壓入經(jīng)烘箱預(yù)熱過的試件套中，稍微冷卻后即可解除壓力，連同試件套裝在抗?jié)B儀上進行試驗，如圖2。

試驗從水壓為0.1 MPa開始，以后每隔8 h增加水壓0.1 MPa，并且隨時觀察試件端面的滲水情況。當(dāng)6個試件中有3個試件端面呈現(xiàn)滲水現(xiàn)象時，即可停止試驗，記錄當(dāng)時的水壓。試驗過程中，如發(fā)現(xiàn)水從試件周邊（試件與機架試模之間的密封帶）滲出，則應(yīng)停止試驗，重新密封。混凝土的抗?jié)B標(biāo)號以每組6個試件出現(xiàn)滲水時的最大壓力計算。

（三）現(xiàn)有抗?jié)B儀及抗?jié)B試驗弊端

現(xiàn)有抗?jié)B儀檢測混凝土抗?jié)B性能的實現(xiàn)難度大、耗時長、成功率不高。具體而言，主要問題有以下幾個方面的問題。

（1）試驗程序復(fù)雜，密封困難。預(yù)制混凝土試件壓入機架試模后，需進行密封，密封之前需要將混凝土試件、機架試模等預(yù)熱，將工業(yè)石蠟加熱至50～60℃熔化成液態(tài)，再將其滴入混凝土試件和機架試模中間的空隙區(qū)域，試圖讓石蠟冷卻凝固后密封空隙，該程序大大增加了時間和資金成本。

（2）試驗結(jié)果誤差大。不能保證試件與機架試模之間完全密封，致使試驗時壓力水可能從試件與機架試模之間的密封區(qū)域空隙滲出。事實上，在試模中制作水泥混凝土的試件還需經(jīng)過適當(dāng)加熱試件、工業(yè)石蠟等環(huán)節(jié)，謹慎操作也難以保證絕對成功。水泥混凝土抗?jié)B試模，如圖3。

（3）觀察滲水路徑比較困難（試驗時不排除水直接沿密封帶上升至試件頂面，或從薄弱混凝土層滲透至試件表面的虛假滲透現(xiàn)象）。大多數(shù)情況僅僅從試件端面觀察滲水情況。有時需將試件從機架試模中取出，用壓力機將試件均勻劈成兩半之后才能觀察壓力水的滲透路徑，操作難度大。加壓滲水試驗時，理想密封狀態(tài)，如圖4（1）；密封失效時，滲水沿著密封區(qū)域滲漏，如圖4（2）；部分密封失效，滲水通過密封通道在端部沿著混凝土薄弱區(qū)域滲水，如圖4（3）。

三、新型水泥混凝土研制及其試驗原理

（一）新型水泥混凝土抗?jié)B儀研制思路

基于現(xiàn)有水泥混凝土抗?jié)B儀的種種弊端，新型抗?jié)B儀擬取消機架試模，省略密封環(huán)節(jié)，以方便觀察滲水路徑。

怎么樣實現(xiàn)比較大膽而創(chuàng)新的設(shè)想？結(jié)合土木工程材料本科課程、現(xiàn)有抗?jié)B儀的機理，課題組成員進行了長期構(gòu)思并多次繪制草圖，經(jīng)過不斷修改、完善，擬定在基本不改變現(xiàn)有水泥混凝土抗?jié)B儀及試驗機理的前提下，適當(dāng)調(diào)整混凝土試件尺寸，在其中心部位預(yù)埋引壓管，采用上下顛倒的方式將混凝土試件插入試驗臺中。

（二）新型水泥混凝土抗?jié)B儀試驗流程

具體流程為：制造擴大頭和預(yù)埋引壓管；用螺栓組裝擴大頭和預(yù)埋引壓管，如圖5（1）、5（2）；將組裝后的預(yù)埋引壓管和混凝土試模上的鋼片螺栓連接，如圖5（3）；澆筑混凝土（預(yù)埋引壓管直接澆筑在混凝土中）；養(yǎng)護28 d后將試件上下顛倒安裝在試驗臺桌上；灌水加壓；觀察滲水路徑。其中，擴大頭上口為直徑60 mm、高20 mm的喇叭口，下口與預(yù)埋引壓管同徑。上口擴大到60 mm目的是增加壓力水滲透面積，高度20 mm目的是在澆筑混凝土之間澆筑一層同配比水泥砂漿作為臨時模板，防止?jié)仓炷習(xí)r水泥漿進入預(yù)埋引壓管，如圖5（4）；灌水加壓前將預(yù)留水管與預(yù)埋引壓管接通，加壓后壓力水將從預(yù)埋引壓管的擴大頭滲透，從而可以任意從混凝土的上端面、側(cè)面薄弱的地點滲透出來，如圖5（5）。

（三）新型水泥混凝土抗?jié)B儀試驗機理

新型混凝土抗?jié)B儀加壓后，壓力水自擴大頭開始，從混凝土中任意薄弱環(huán)節(jié)滲透，直至流出混凝土上端面或側(cè)面中的任意面；因預(yù)埋引壓管和混凝土已牢固澆筑，緊密連接，壓力水不會從引壓管和混凝土之間的空隙滲透。

新型抗?jié)B儀擬采用試件直徑和高均為300 mm的圓柱體，從擴大頭到混凝土的任意表面的距離最短為150 mm，基本滿足規(guī)范[15]對最短滲水路徑150 mm的要求。實際工作中水泥混凝土結(jié)構(gòu)層抗?jié)B相對于抗?jié)B試件來講是無限大的，客觀上將試件尺寸從150 mm加大到300 mm與實際工程更為接近。試驗效果有待于后續(xù)研究工作的進展及成果評定。

新型抗?jié)B儀取消機架試模，可從混凝土上端面和側(cè)面輕松觀察滲水路徑，能夠?qū)崿F(xiàn)除底面外的全方位、多角度觀測滲水路徑。

四、大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練計劃項目申報

基于該項目的獨特創(chuàng)意，項目經(jīng)過小組評審、學(xué)院評審，在校級和省級層層篩選下，脫穎而出。目前已經(jīng)獲批四川農(nóng)業(yè)大學(xué)大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練計劃項目和四川省大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練計劃項目，項目的獲批為后續(xù)研制提供了重要平臺和條件。

（一）項目技術(shù)路線

（二）項目進展及后續(xù)工作

目前項目進展：完成了實用新型（專利申請?zhí)?01610223488.3）和發(fā)明專利（專利申請?zhí)?01620299957.5）申請，與北京藍航智晟試驗儀器有限公司簽訂生產(chǎn)新型水泥混凝土抗?jié)B儀的合作協(xié)議。四川農(nóng)業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院制定了采購新型抗?jié)B儀計劃，新型水泥混凝土抗?jié)B儀預(yù)計在2016年底投入試驗。

后續(xù)研究工作：待樣機生產(chǎn)制造成功，按照計劃進行新型和現(xiàn)有水泥混凝土抗?jié)B儀對比試驗，（擬采用在建的國道G213線汶川縣境內(nèi)映秀至汶川的福堂隧道二次襯砌C30抗?jié)B混凝土，隨機抽樣各不少于50組；現(xiàn)有抗?jié)B儀1組6個試件，新型抗?jié)B儀1組3個試件）。后續(xù)將對抗?jié)B機理進行理論分析，利用Pfc等軟件進行數(shù)值模擬，研究二者的相似性、差異性及新型抗?jié)B儀的可行性。把試驗的重點放在新型抗?jié)B儀的可操作性上，把分析的重點放在新型抗?jié)B儀的可行性上。

（三）項目的特色與創(chuàng)新

從技術(shù)創(chuàng)新方面來看，無需密封，能順暢觀察滲水路徑，試驗簡單方便；預(yù)埋引壓管，壓力水從混凝土試件中部向四周薄弱區(qū)域自由滲透，滿足現(xiàn)有規(guī)范要求的現(xiàn)有抗?jié)B儀基本尺寸150 mm；取消機架試模，無四周側(cè)限附加壓力限制。

從方法創(chuàng)新方面來看，擬進行新型和現(xiàn)有抗?jié)B儀的對比試驗，采用理論公式計算、數(shù)值模擬等理論分析方法，多角度多方法論證新型水泥混凝土抗?jié)B儀的可行性。

五、討論

教師和學(xué)生應(yīng)熟悉土木工程材料課程及其試驗基本內(nèi)容，達到融會貫通。熟悉土木工程材料規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)，充分了解規(guī)范的本質(zhì)及缺陷，是研制新型抗?jié)B儀、進行創(chuàng)新思維的前提條件。

從一個普通抗?jié)B試驗入手思考現(xiàn)有抗?jié)B儀的局限，聯(lián)想到研制新型抗?jié)B儀。這種修改和聯(lián)想創(chuàng)新，遠比某一具體試驗及試驗儀器本身重要得多，也是重要發(fā)明創(chuàng)造的基礎(chǔ)。

六、結(jié)語

如何搞好土木工程材料課程試驗、如何創(chuàng)新，是學(xué)者們長期研究和探討的課題。水泥混凝土抗?jié)B試驗儀創(chuàng)新研制，得出如下結(jié)論。

（1）土木工程材料課程試驗大多是常規(guī)試驗，通過現(xiàn)有水泥混凝土抗?jié)B儀及相應(yīng)試驗發(fā)現(xiàn)弊端，開啟教師和學(xué)生改進思路，進而激發(fā)創(chuàng)新興趣。

（2）新型水泥混凝土抗?jié)B儀研制一波三折，但思路新穎，克服了現(xiàn)有抗?jié)B儀密封困難、易從密封區(qū)域滲水、不易成功等缺點，通過在混凝土試件內(nèi)部預(yù)埋引壓管、取消機架試模等改進措施觀察滲水路徑更直觀，試驗更簡單。

（3）現(xiàn)有和新型水泥混凝土抗?jié)B儀后續(xù)對比試驗（擬對比二者試驗流程、滲水路徑、試驗結(jié)果吻合度）有序開展，理論分析思路明確，技術(shù)路線方案可行，研究結(jié)果值得期待。

（4）擬通過公式計算、數(shù)值分析等理論分析論證現(xiàn)有與新型抗?jié)B儀試驗的抗?jié)B機理，完善新型抗?jié)B儀試驗的理論基礎(chǔ)。

新型抗?jié)B儀研制及其試驗研究，研制思路和技術(shù)路線值得延伸和推廣，值得土木工程材料課程及其它課程新型試驗儀的研制及改進借鑒，也為土木工程其它專業(yè)課程的創(chuàng)新提供了有益參考。

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Abstract：Civil engineering materials experiment is the important link to master knowledge of civil engineering materials. Taking cement concrete antipermeability test for example， optimizing and innovating the traditional cement concrete antipermeability instrument and the test itself， creatively puts forward the development thinking， technical route and experiment mechanism of new cement concrete antipermeability instrument. Analysis shows that new cement concrete antipermeability instrument and its test， under the premise of keeping antipermeability instrument test mechanism unchanged， creatively proposes appropriate increase of concrete specimen size， preembedded pressleading tube internally， etc key measures， avoiding seal procedure of the existing antipermeability instrument cleverly. Moreover， the subsequent comparative tests and theoretical analysis are worth looking forward to. And technical route will be also prudently carried forward. Test and development scheme cover innovation characteristics obviously. Research achievement provides important references for civil engineering materials experiment and innovation，as well as other civil engineering courses， and provides lessons for civil engineering materials teaching and other courses teaching. Simultaneously， the achievement promotes amendment and improvement in traditional codes， bringing social benefit and economic value for concrete in civil engineering antipermeability structure.

Keywords： civil engineering materials； test； new antipermeability instrument； innovation

（編輯 梁遠華）