基于高性能材料實驗的學生創新能力培養

張清華, 賈東林, 卜一之

(西南交通大學 橋梁工程系, 四川 成都 610031)

隨著時代的發展,社會對于大學生的綜合能力的要求越來越迫切。培養具有扎實基礎理論和專業知識、較強實踐能力和創新能力、寬闊國際視野和強烈社會擔當意識的卓越人才是當代大學教育的根本,而創新能力培養是推動大學教育進步,提高學生綜合能力的最強驅動力之一。隨著國民經濟結構的轉型和各個領域的產業變革,對于創新型人才的要求日益強烈[1-4]。習近平總書記強調,“當今世界科技革命和產業變革方興未艾,我們要增強使命感,把創新作為最大政策,奮起直追、迎頭趕上”。因此,加大對學生科研創新能力培養的投入,探索科研創新能力培養的模式是本科教育中必不可少的一項重要舉措。依托縱向科研項目,結合土木工程領域科研熱點和專業發展前沿,以超高性能混凝土(ultra-high performance concrete, UHPC)基本力學性能研究為載體,探索學生科研創新能力培養的合理機制。相對于普通混凝土成分,超高性能混凝土作為纖維增強水泥基復合材料剔除粗骨料并且摻入鋼纖維,其抗壓強度在100 MPa以上,抗折強度在20 MPa以上,具有高抗拉和抗壓強度、高彈性模量、高延性、高韌性、高耐久性等特點,是一種最新研發的高性能纖維水泥基復合材料[5-6]。通過超高性能混凝土基本力學性能研究,不但可以增強學生基本實驗技能,提高對于超高性能混凝土力學性能的認識,還可以鍛煉學生制訂實驗方案、協同開展實驗、實驗數據處理的能力,進而培養其綜合創新能力。

鑒于土木工程專業學生具有一定的專業基礎,對普通混凝土力學性能實驗有初步認識,因此具有獨立開展基本力學性能實驗的潛力。同時,超高性能混凝土與普通混凝土在材料制備和力學性能方面存在差異,制訂實驗方案時需考慮其特殊性,如何保證成功制備超高性能混凝土,且成功測試其力學性能是實驗的關鍵。為充分發揮學生主觀能動性和創造性,實驗采用面向學生創新能力培養、教研結合的模式展開。首先,要求學生查詢、閱讀超高性能混凝土相關文獻,提高對其力學特性的認識。根據前期研究,確定實驗目標,制訂初步實驗方案,定期組織學生進行交流匯報,充分討論實驗方案的可實施性和存在的問題,最后由導師對實驗方案中的存在的問題進行答疑解惑,學生完成實驗方案,實驗方案需得到每位小組成員簽名通過。在實驗實施過程中,由學生小組獨立完成實驗工作,小組中各個學生合理分配任務,協同完成實驗,導師與學生保持溝通,但不參與實驗。學生小組實驗過程允許失敗,但應提出對應解決方案,以提高學生獨立自主解決問題的能力。

1 實驗方案和步驟

1.1 實驗方案設計

超高性能混凝土主要由水泥、石英砂、鋼纖維、添加劑、水等成分構成,因成分和配制方法不同,其力學性能存在較大差異[7-9]。鑒于超高性能混凝土屬于新型纖維水泥基復合材料,對應規范標準尚未完善,學生在制訂實驗方案時,參考《普通混凝土力學性能實驗方法標準》(GB/T 50081—2002)、《混凝土結構實驗方法標準》(GB/T 50152—2012)、《活性粉末混凝土》(GB/T 31387—2015)、《纖維混凝土實驗方法標準》(CECS:13—2009)等相關規范[10-12]。實驗方案中確定以立方體抗壓強度、劈裂抗拉強度及軸心抗壓強度作為表征超高性能混凝土力學性能的基本指標。綜合考慮超高性能混凝土抗壓強度范圍和實驗機量程,同時避免試塊過小導致鋼纖維分布不均勻,實驗方案最終確定以100 mm×100 mm×100 mm立方體試塊作為標準立方體抗壓、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個試件,其中2組用來測試立方體抗壓強度,一組用來測試立方體劈裂抗拉強度。

圖1 立方體試塊(單位:mm)

為測試超高性能混凝土軸心抗壓強度,設計100 mm×100 mm×300 mm棱柱體試塊作為標準試塊,如圖2所示,共澆筑2組試塊,每組包含3個試塊。

圖2 軸心受壓棱柱體試塊(單位:mm)

1.2 試塊制備

基于最大密實度理論,實驗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(質量比)

鑒于超高性能混凝土中材料成分的添加順序對其力學特性至關重要,故本文將實驗中配制步驟簡要敘述如下:

(1) 將除水、鋼纖維以外的所有其他配料依次放入強制式攪拌機,開始攪拌。鋼纖維在干料攪拌過程中逐步添加,添加完畢后,攪拌3 min。

(2) 精確稱量所需水的重量,將水加入到攪拌機中,加水時,攪拌機需要保持運轉。

(3) 待所有混合料和水添加完畢后,攪拌5 min。

學生在材料實際配制時,發現混合料在加水攪拌5 min后,流動性仍然較差,為確保材料適用性,經學生小組商議后,決定繼續攪拌2 min,將超高性能混凝土從攪拌機取出,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性,符合工程應用標準,因此,合適的攪拌時間對于UHPC同樣非常重要。塌落度測試如圖4所示,塌落度常數為250 mm,塌落度擴展常數為550 mm,滿足規范要求。測試完畢后,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,常溫條件下養護24 h,脫模,再次鋪上保濕膜,定期灑水、養護28 d,如圖5所示。

圖3 超高性能混凝土出機狀態

圖4 超高性能混凝土塌落度測試

圖5 超高性能混凝土部分養護試塊

1.3 實驗測試步驟

根據實驗方案,開展超高性能混凝土力學性能測試,限于篇幅,此處僅對立方體抗壓試塊實驗測試步驟進行簡要概述:

(1) 試塊從養護地點取出后立即進行實驗,將試件表面與上下承壓板面擦拭干凈。試件直立放置在實驗機的下壓板或鋼墊板上,試件的承壓面與成型時的頂面垂直,并使試件軸心與下壓板中心對準。

(2) 開動實驗機,當上壓板與試件或鋼墊板接近時,調整球座,使接觸均衡。

(3) 連續均勻地加荷,不得有沖擊。鑒于超高性能混凝土強度等級>C60,加載速度取0.8 MPa/s～1.0 MPa/s。

(4) 試件接近破壞而開始急劇變形時,停止調整實驗機油門,直至破壞,記錄破壞荷載。

立方體抗壓強度按下式計算:

式中：fcc為混凝土立方體試件抗壓強度(MPa),F為試件破壞荷載(N)；A為試件承壓面積(mm2)。

2 實驗結果

2.1 立方體抗壓實驗

立方體抗壓強度實驗如圖6所示,對應破壞形態如圖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,試塊雖然出現明顯的剝離現象,但沒有出現典型的角錐破壞形態。實驗測試完成后,由學生對實驗結果進行處理,2組立方體抗壓試塊的抗壓強度如表2所示,平均抗壓強度為119.74 MPa,其抗壓強度明顯高于普通混凝土的強度,破壞形態也具有較大差別。

圖6 超高性能混凝土立方體抗壓實驗

圖7 超高性能混凝土立方體抗壓破壞形態

2.2 立方體劈裂實驗

立方體劈裂強度實驗如圖8所示,對應破壞截面形態如圖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到鋼纖維的連接作用,隨著主裂縫逐漸增長,可以清晰地聽到鋼纖維拔出的聲音。卸載后,將破壞試塊分開,如圖9(b)所示,可以看到截面鋼纖維呈現隨機分布,且呈現明顯的拔出狀態。該組試塊的劈裂強度如表3所示,劈裂抗拉強度代表值為6.76 MPa,遠大于普通混凝土的抗拉強度,鋼纖維對于抗拉強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驗

圖9 超高性能混凝土立方體劈裂破壞形態

試件號強度實測值/MPa強度代表值/MPa16.4326.9636.906.76

2.3 軸心抗壓實驗

棱柱體軸心抗壓實驗如圖10所示,典型破壞形態如圖11所示。從圖11可以看出,棱柱體軸心抗壓破壞形態與普通混凝土軸心抗壓構件類似,主裂縫均出現在對角線部位,破壞時伴有較大的響聲,達到極限強度后為突然的脆性破壞。但破壞后均伴有明顯的滑移現象,表明鋼纖維在剩余強度階段仍然具有一定的連接作用。軸心抗壓強度如表4所示,平均軸心抗壓強度為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度,是具有發展前景的新型纖維水泥基復合材料。

圖10 超高性能混凝土棱柱體的心抗壓實驗

圖11 超高性能混凝土棱柱體軸心抗壓實驗典型破壞形態

試件號強度實測值/MPa強度代表值/MPa強度平均值/MPa1113.682108.803103.024101.315113.98698.92108.56104.76106.66

3 結語

依托縱向科研項目,對學生創新能力培養進行了探索和實踐,引導學生完成了新型水泥基復合材料—超高性能混凝土基本力學性能研究。通過科研實踐項目,提高了學生的動手能力、思考和解決問題的能力。

基于超高性能混凝土材料配料比研究及力學性能測試,使學生熟悉并掌握了超高性能混凝土的制備過程和基本力學性能測試技術,深刻認識了超高性能混凝土高抗壓、高抗拉的力學性能。實驗過程中,學生能夠創造性地分析和解決問題,嚴謹務實、腳踏實地地開展實驗,加強了團隊溝通協作能力。通過科研實踐,激發了學生的積極性和創造性,切實有效地提升了學生的綜合創新能力。因此,在學生的本科學習過程中,通過相關科研項目開展科研實踐,寓教于研,教研結合,在培養學生科研創新能力的同時完成項目的科研工作,對于教師和學生均有非常大的意義,是值得借鑒的一種學生創新能力培養模式。