土木工程試驗論文

　　土木工程材料課程試驗是熟悉國家技術(shù)標準，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)。下面是土木工程試驗論文，為大家提供參考。

　　摘要：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

　　土木工程材料課程作為高等院�！按笸聊尽杯h(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準》，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準。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)行標準中采用抗?jié)B標號法，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

　�。ㄒ唬┈F(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“機架試模”）6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。

　�。ǘ�）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，一般標準養(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�；炷�土的抗?jié)B標號以每組6個試件出現(xiàn)滲水時的最大壓力計算。

　�。ㄈ�）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^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

　�。ㄒ唬┬滦退�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。

　�。ǘ�）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�混凝土�(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）。

　�。ㄈ�）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。

　�。ㄒ唬╉椖考夹g(shù)路線

　�。ǘ�）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、標準，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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