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(guó)對(duì)科技、人才、創(chuàng)新的需求越來(lái)越緊迫。黨的二十大報(bào)告提出,深入實(shí)施科教興國(guó)戰(zhàn)略、人才強(qiáng)國(guó)戰(zhàn)略、創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)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(fù)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(shí)代的創(chuàng)新人才,成為高校需要面臨的重要任務(wù)。在國(guó)家的重點(diǎn)支持建設(shè)下,很多高校的科研水平有了顯著的進(jìn)步,眾多領(lǐng)域的研究成果取得了重大突破,有力推動(dòng)了我國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)和科技產(chǎn)業(yè)的進(jìn)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(wèn)題[5-7]。科技創(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(jiàn)》[8]中明確提出高校應(yīng)積極推動(dòng)“科研反哺教學(xué)”,要求高校教師及時(shí)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(lái),隨著“一帶一路”戰(zhàn)略和西部大開發(fā)新格局的深入推進(jìn),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(duì)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(shí)的同時(shí),還應(yīng)注重學(xué)生創(chuàng)新和實(shí)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(shí)驗(yàn)”課程,其中的實(shí)驗(yàn)教學(xué)部分是培養(yǎng)學(xué)生運(yùn)用理論知識(shí)解決實(shí)際工程問(wèn)題,提升學(xué)生實(shí)踐創(chuàng)新能力的重要環(huán)節(jié)。但目前該課程的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容不夠豐富,缺乏與實(shí)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(shí)踐的程度較低,無(wú)法有效提升學(xué)生的創(chuàng)新能力[12]。

鑒于上述問(wèn)題,本文結(jié)合當(dāng)前的熱點(diǎn)工程問(wèn)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(shí)驗(yàn)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(shí)和綜合分析問(wèn)題的能力。本文的研究?jī)?nèi)容,可為科研項(xiàng)目反哺該類課程的創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)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(yàn)

1.1 研究背景

隨著新時(shí)代西部大開發(fā)戰(zhàn)略的深入實(shí)施,我國(guó)西部山區(qū)橫貫東西、縱貫?zāi)媳钡倪\(yùn)輸通道建設(shè)持續(xù)推進(jìn),隨之出現(xiàn)的高地溫問(wèn)題也十分突出。比如,正在建設(shè)的川藏鐵路穿越川西地?zé)岙惓Ш筒貣|地?zé)釡厝獛?沿線出露溫泉700余處,約有15座隧道存在高地溫問(wèn)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(guò)圍巖裂隙流動(dòng),將地?zé)醾鬟f到隧道內(nèi),這就形成了濕熱環(huán)境。2)在幾乎無(wú)水的圍巖中,熱傳遞發(fā)生在巖石內(nèi)部,地?zé)嵬ㄟ^(guò)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(yán)重的收縮容易造成混凝土脫粘開裂,降低支護(hù)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(shí)可為國(guó)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(yàn)過(guò)程

為了讓學(xué)生盡快參與到試驗(yàn)中,首先向?qū)W生介紹該試驗(yàn)的工程背景、噴射混凝土配合比的設(shè)計(jì)依據(jù)以及自由收縮變形的測(cè)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(hù)及變形的測(cè)試,鍛煉學(xué)生的思考和動(dòng)手能力。最后,指導(dǎo)學(xué)生對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,并嘗試用所學(xué)理論知識(shí)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析。

試驗(yàn)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(jì)規(guī)程、GB 50086—2015巖土錨桿與噴射混凝土支護(hù)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(jì)隧道工程中常用的C25噴射混凝土,并通過(guò)添加減水劑調(diào)整坍落度為100 mm～120 mm。為分析溫度對(duì)噴射混凝土變形性能的影響,設(shè)置了20 ℃標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)環(huán)境(20-標(biāo))、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(shí)驗(yàn)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(duì)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(zhǎng)期性能和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)中混凝土收縮試驗(yàn)的接觸法,測(cè)定各工況混凝土試件的初長(zhǎng)及達(dá)到預(yù)定齡期后的長(zhǎng)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(yàn)結(jié)果

不同環(huán)境條件下各齡期混凝土試件的變形見(jiàn)圖2。

由圖2可知,標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)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(biāo)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(biāo)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(gè)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(guò)教師引導(dǎo)、學(xué)生參與的方式,整個(gè)試驗(yàn)可使學(xué)生對(duì)混凝土的原材料參數(shù)、外加劑作用、配合比設(shè)計(jì)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(shí)熟悉了相關(guān)規(guī)范,掌握了混凝土收縮變形的測(cè)試方法,提高了處理和分析試驗(yàn)數(shù)據(jù)的能力,有效發(fā)揮了科研項(xiàng)目對(duì)實(shí)驗(yàn)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(yàn)

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(duì)干熱環(huán)境混凝土的約束收縮性能進(jìn)行研究。

通過(guò)前期的自由收縮試驗(yàn),學(xué)生對(duì)建筑材料試驗(yàn)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(yàn)讓學(xué)生主導(dǎo)方案設(shè)計(jì)與數(shù)據(jù)分析,教師提供建議促進(jìn)試驗(yàn)成功開展。

為了進(jìn)一步探索抑制干熱環(huán)境混凝土收縮的措施,針對(duì)80 ℃干熱環(huán)境,學(xué)生設(shè)置了基準(zhǔn)配合比(80-BP)、基準(zhǔn)配合比+體積比1%的鋼纖維(80-SF)和基準(zhǔn)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(cè)試收縮時(shí)需要將試件從烘箱中搬出,費(fèi)時(shí)、費(fèi)力且易受環(huán)境干擾,影響測(cè)量精度,而非接觸法的測(cè)定儀器在高于40 ℃的環(huán)境中無(wú)法正常工作。所以,學(xué)生經(jīng)過(guò)文獻(xiàn)查閱、小組研討與優(yōu)化改進(jìn),設(shè)計(jì)了一種適用于干熱環(huán)境混凝土-巖石約束收縮測(cè)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(hù)。讀取千分表的初始讀數(shù)L0和齡期t時(shí)的讀數(shù)Lt,則混凝土的約束收縮率εst可通過(guò)式(1)計(jì)算。

(1)

其中,Lb為試件的測(cè)量標(biāo)距。

2.2 結(jié)果分析

三種工況的試件在測(cè)點(diǎn)1和測(cè)點(diǎn)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(yàn)初期表現(xiàn)出膨脹變形,隨著齡期增長(zhǎng)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(zhǎng),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(jìn)一步抑制,28 d齡期時(shí)80-SF和80-SF+SRA在測(cè)點(diǎn)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(shí)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(xì)孔溶液的表面張力并增大其黏度,從而減小失水時(shí)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(duì)比圖4(a)和圖4(b)可知,測(cè)點(diǎn)1處的收縮變形明顯小于測(cè)點(diǎn)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(yuǎn)收縮變形越大。

為獲得收縮率與試驗(yàn)齡期間的數(shù)學(xué)關(guān)系,分別采用指數(shù)、對(duì)數(shù)和雙曲線三種函數(shù)對(duì)二者進(jìn)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(cè)點(diǎn)1的擬合曲線如圖5所示。

表2 各函數(shù)對(duì)約束收縮率的擬合度

通過(guò)學(xué)生主導(dǎo)、教師促進(jìn)的方式,學(xué)生自主完成整個(gè)創(chuàng)新拓展試驗(yàn),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(jī)理,且提升了團(tuán)隊(duì)協(xié)作、開拓創(chuàng)新的意識(shí)以及自主分析和解決問(wèn)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(yàn)的基礎(chǔ)上,鼓勵(lì)學(xué)生利用所學(xué)的材料力學(xué)知識(shí)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(huì)產(chǎn)生壓力Fr(t),且易知(見(jiàn)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(jì)算公式分別見(jiàn)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(jì)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(jì)算公式見(jiàn)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(jì)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(jìn)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(guò)渡到壓應(yīng)力區(qū)。

通過(guò)學(xué)科交叉、進(jìn)階提升的方式,學(xué)生經(jīng)過(guò)理論推導(dǎo)建立了約束收縮力學(xué)模型,學(xué)會(huì)了靈活應(yīng)用力學(xué)知識(shí)解決實(shí)際問(wèn)題,綜合能力有了顯著提升。

4 結(jié)語(yǔ)

本文基于教育部提出的推動(dòng)“科研反哺教學(xué)”,以建筑材料課程的創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)為研究對(duì)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(yàn)教學(xué)中的實(shí)踐方式與成效,主要結(jié)論如下:1)科研項(xiàng)目通過(guò)合理轉(zhuǎn)化可以為創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)提供豐富的教學(xué)資源,能夠促進(jìn)科研成果反哺本科教學(xué),實(shí)現(xiàn)科研與教學(xué)的共同進(jìn)步。2)“先參與,再主導(dǎo)”是一種有效的實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法,即:先讓學(xué)生參與基礎(chǔ)試驗(yàn),快速熟悉試驗(yàn)背景和基本流程,再讓學(xué)生主導(dǎo)拓展試驗(yàn),提高自主創(chuàng)新和綜合解決問(wèn)題的能力。3)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中可適當(dāng)進(jìn)行學(xué)科交叉,培養(yǎng)學(xué)生的融合貫通能力,促進(jìn)高素質(zhì)復(fù)合人才的形成。