基于創新試驗培養大學生綜合能力

劉 清， 高金東， 何原野

(新疆大學 建筑工程學院，新疆 烏魯木齊 830047)

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基于創新試驗培養大學生綜合能力

劉 清， 高金東， 何原野

(新疆大學 建筑工程學院，新疆 烏魯木齊 830047)

混凝土配合比設計試驗是土木類教學中必不可少的傳統實驗，忽視了學生實踐和創新等綜合能力的培養。自密實混凝土作為混凝土的一種新技術，在配合比設計方面與普通混凝土存在較大差別，文章分析了自密實混凝土配合比設計概念，并結合自密實混凝土配合比創新實驗項目分析了大學生如何在解決新問題的過程中提高綜合能力，總結了創新實驗項目的成效和體會。

自密實混凝土； 創新實驗； 綜合能力

0 引 言

大學生創新性實驗是本科生在教師的指導下，自主進行具有一定研究性的學習，提出實驗研究的思路及內容、設計與實施實驗方案、分析與處理實驗數據、撰寫學術論文等一系列過程的行為，它對于學生深刻認識理論知識的重要性、培養創新思維與實踐能力、增強信心與韌性、鍛煉團隊合作與交流能力等綜合能力的提高具有重要作用[1-8]。

混凝土配合比設計試驗是土木類教學中必不可少的材料試驗，具有傳統實驗教學的局限性。自密實混凝土作為一種高性能混凝土，其拌合物具有較為優異的工作性能，配合比設計實驗與普通混凝土存在較大差異。基于筆者主持的自密實混凝土方面科研課題，本科生提出自己的想法，在筆者指導下成功申請并完成了2項大學生創新試驗項目，本文將結合自密實混凝土配合比創新實驗項目進行分析大學生如何在解決一系列新問題的過程中提高實踐和創新等綜合能力。

1 自密實混凝土配合比設計概念

自密實混凝土是具有高流動度、不離析、均勻性和穩定性，澆筑時依靠自重流動，無需振搗而達到密實的混凝土[9]。在大學生掌握的知識中，混凝土澆筑后需要進行振搗密實，而自密實混凝土作為一項新技術，了解其概念和特點后，如何實現該技術則能夠較好的引起學生的興趣，激發他們求知的欲望。因此，就必須對自密實混凝土配合比設計的概念具有清晰認識。

傳統的混凝土設計中僅注重對強度計算(見圖1)，對工作性能的控制較為簡單。對于自密實混凝土，自密實性能是新拌自密實混凝土最重要的綜合性能，屬于施工性能，配合比設計必須從體積入手，同時兼顧其強度指標。因此，自密實混凝土配合比的設計分為自密實性能設計和強度設計兩部分(見圖2)。自密實混凝土的配合比設計并不拘泥于工作性能設計和強度設計的先后順序，而是注重核心參數指標水粉比和水膠比能滿足工作性能和強度等級的要求。

圖1 普通混凝土配合比設計流程

圖2 自密實混凝土配合比設計流程

在自密實混凝土膠凝材料中常摻用活性礦物摻合料，一方面可以降低自密實混凝土早期水化放熱大、減少硬化混凝土收縮、提高其耐久性和體積穩定性；另一方面品種適宜的優質活性礦物摻合料可以和水泥顆粒形成良好級配，降低膠凝材料的需水量，從而改善拌合物的工作性[9-10]。摻用惰性摻合料時可增加粉體含量，抑制水化放熱，保證自密實混凝土所需粉體總量。

創新實驗項目成員通過指導和自主翻閱資料，初步掌握了自密實混凝土配合比的設計，在普通混凝土知識的基礎上，加深了對混凝土技術的認識并很好的拓展了視野。2項創新項目主要進行了如下3部分實驗：減水劑與水泥、礦物摻合料相容性實驗；自密實混凝土配合比正交實驗；骨料級配與粒徑對自密實混凝土性能影響實驗。

2 大學生自密實混凝土配合比創新實驗

2.1 減水劑與水泥、礦物摻合料相容性實驗

由于自密實混凝土要求具有較大的流動性、良好的粘聚性，所以需要選擇減水率較高、保水性較好的優質高效減水劑。根據聚羧酸系高效減水劑具有摻量低、減水率高、混凝土強度增長快、拌合物坍落度損失小等優點，本實驗的外加劑選用聚羧酸系高效減水劑。

自密實混凝土拌合物的工作性能取決于水泥漿的工作性能，但隨著聚羧酸系減水劑產品的不斷增多，其與水泥、礦物摻合料之間的相容性問題也越來越明顯，嚴重影響水泥漿的工作性能[10-11]，而新疆地區對外加劑與水泥的相容性研究相對不足。如何保證水泥漿良好的工作性能以及如何為自密實混凝土配合比實驗合理選擇原材料是項目組成員面臨的關鍵問題。

表1 礦物摻合料摻量 %

依據《混凝土外加劑應用技術規范》(GB 50119—2003)，項目組成員設計了減水劑與水泥和礦物摻合料之間的相容性實驗。選取了新疆地區具有代表性的三種聚羧酸系高效減水劑(R112SD、R114SD、建新JX-5)，減水劑摻量范圍為0.6%～0.95%。水泥漿中礦物摻合料摻量見表1，分別測水泥漿0，30，60 min流動度，圖3是學生進行水泥漿流動度實驗，部分結果見圖4～7。

由圖4和圖5可知，天山水泥與R112SD的相容性較好，與R114SD次之，與JX-5較差。由圖6和圖7可知，當加入石粉摻量等于粉煤灰時，天山水泥與R112SD的相容性較好，與R114SD次之，與JX-5較差。

2.2 自密實混凝土配合比正交實驗

影響自密實混凝土性能的主要因素有拌合用水量、礦物摻合料摻量、骨料級配及用量、砂率、外加劑摻量、水膠比等，在有限的實驗經費以及時間下找出主次因素就成為配合比設計的關鍵。通過指導，項目組成員學習了正交設計的方法，它是在大量實踐的基礎上總結出來的一種科學的試驗設計方法，它是用一套規格的正交表格，采用均衡分散性、整齊可比性的設計原則，合理安排試驗[13-15]。

圖3 相容性試驗過程

圖4 純水泥漿0 min流動度

圖5 純水泥漿30 min流動度

圖6 20%粉煤灰、20%石粉水泥漿的0 min流動度

圖7 20%粉煤灰、20%石粉水泥漿的30 min流動度

項目成員以礦物摻合料摻量、水膠比、砂率、外加劑摻量為主要的因素，設計了4因素、3水平(見表2)的自密實混凝土配合比正交試驗，以研究各個因素對自密實混凝土的工作性能、力學性能的影響順序。

表2 因素水平表

在工作性能檢測中，普通混凝土只進行坍落度試驗，而自密實混凝土可采取的方法主要有：坍落擴展度試驗、T50、J環試驗、L型儀、U型儀、V型漏斗試驗等。考慮到現有實驗條件，學生最終采用坍落擴展度試驗和V型漏斗試驗，如圖8。各因素對自密實混凝土性能的影響見圖9～12。由圖可知：

(1)利用烏魯木齊地區的原材料適合配置本課題需要的自密實混凝土，且最佳配合比為礦物摻合料(60%C+20%f+20%S)+水膠比(0.30)+砂率(54%)+減水劑摻量(1.0%)；

(2)利用正交試驗的極差分析法得出：①礦物摻合料摻量是影響混凝土坍落度、擴展度和V型漏斗時間的最主要因素，水膠比為第二主要因素；②水膠比是影響自密實混凝土3 d強度、7 d強度及28 d強度的最主要因素，礦物摻合料摻量為第二主要因素；

(3)在復合摻和料中石粉有促進早期強度作用。

2.3 粗骨料形狀指數與級配對自密實混凝土性能影響實驗

通過本科階段《土木工程材料》課程的學習，項目組成員初步掌握了普通混凝土中粗骨料的相關知識。粗骨料是混凝土的主要組分之一。粗骨料的形狀指數(一批粗骨料的幾何形狀特征)具有較大差異，顆粒形狀決定著堆實的程度，也影響著骨料與水泥石的粘結，進而影響混凝土的強度。此外，骨料的級配也對混凝土拌合料的工作性能產生很大影響，進而影響混凝土的強度、變形性能等。級配分為連續級配和間斷級配，連續級配的顆粒級差小，配制的新拌混合物和易性好，被工程廣泛采用；間斷級配的顆粒級差大，空隙率的降低比連續級配快的多，可最大限度地發揮骨料的骨架作用，減少水泥用量。

圖8 正交實驗工作性能檢測

圖9 因素的工作性能趨勢圖

圖10 因素的3天強度趨勢圖

圖11 因素的7天強度趨勢圖

圖12 因素的28天強度趨勢圖

而在同強度等級下，單位體積自密實混凝土的粗骨料含量小于普通混凝土。考慮拌合物的鋼筋通過性，要求粗骨料的最大粒徑也小于普通混凝土。在自密實混凝土配合比設計中如何考慮新疆地區粗骨料形狀指數和級配的影響是項目組成員面臨的新問題。

項目組成員分別進行了粗骨料顆粒級配和粗骨料形狀指數對自密實混凝土性能的影響實驗，見圖13。將粗骨料分為5～10 mm(大石子)和10～20 mm(小石子)2種級配，選擇性調整每組粗骨料中不同級配的比例(大石子∶小石子=6∶5、5∶5和4∶6)，得到自密實混凝土性能最佳的大小石子比例，再人為的調整每份粗骨料針片狀顆粒和圓滑顆粒的含量，計算3組不同的粗骨料形狀指數，得到自密實混凝土性能最佳的粗骨料形狀指數。部分實驗結果見圖14～17。

圖13 學生實驗過程

主要結論：① 大石子所占比例為50%(大石子∶小石子=5∶5)時，自密實混凝土的工作性能和力學性能均為最好。② 自密實混凝土工作性能不會隨著形狀指數的增長而規律性增長。③ 28 d抗壓強度隨著形狀指數增大而減小。

圖14 坍落度與不同比例粗骨料曲線

圖15 28天強度與不同比例粗骨料曲線

圖16 坍落度與形狀指數曲線

圖17 28 d強度與形狀指數曲線

3 創新實驗效果

近3年，獲土木工程大學生已完成國家級大學生創新項目1項((C60自密實混凝土配合比的試驗研究)和校級重點項目1項(粗骨料形狀指數、級配對自密實混凝土性能影響的實驗研究))。其中，國家級大學生創新項目發表1篇學術論文《三種聚羧酸系外加劑與水泥及礦物摻合料的相容性對比研究》，并且一名成員通過創新實驗的鍛煉后推免本校研究生，繼續參與自密實混凝土方向的研究，期間發表學術論文2篇并在撰寫碩士研究生畢業論文《凍融循環對新疆地區自密實混凝土的影響研究》；校級重點項目完成1篇學術論文《粗骨料(卵石)對自密實混凝土性能影響試驗研究》(已收錄)，在結題中被評為優秀，項目主持人即將就讀本校研究生。

4 結 語

通過參與自密實混凝土配合比創新實驗，項目成員的科學思維能力、設計能力、實踐能力和溝通協調能力等綜合能力得到有效地提升，也加深理論知識的理解。同時，自密實混凝土配合比創新實驗也將筆者主持的科研項目融入到教學中，有效地解決了進行自密實混凝土科研講座時學生對科研理解不深刻的現象。

由于參與的學生數量有限，不能使大多數學生得到鍛煉和提升，應進一步鼓勵大學生積極參與創新實驗項目，或找到一種科研融入教學的新方式。筆者曾嘗試在土木類實驗教學中用自密實混凝土配合比實驗取代普通混凝土配合比實驗，發現也能在一定程度上提高學生的綜合能力，該方式具有一定的可行性值得進一步完善。

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Cultivation of University Students’ Comprehensive Ability Based on the Innovative Test

LIUQing，GAOJin-dong，HEYuan-ye

(College of Architectural and Civil Engineering， Xinjiang University， Urumqi 830047， China)

As an essentially traditional experiment in civil major teaching, the mixing proportion design of concrete ignores the cultivation of students' comprehensive ability such as practice and innovation. As a new concrete technology, self-compacting concrete has a big difference from ordinary concrete. The paper analyzes the mixing proportion design concept of self-compacting concrete, and present method to improve college students' comprehensive ability combined with the mixing proportion innovative design of self-compacting concrete. Moreover, the paper summarizes the results and experience of innovative experimental projects.

self-compacting concrete； innovative test； comprehensive ability

2015-01-16

國家自然科學基金資助項目(51368057)；新疆維吾爾自治區區級精品課程資助；國家大學生創新試驗計劃項目資助(101075525)；國家級大學生創新創業訓練計劃項目(XJU-SRT-13173)

劉 清(1961-)，男，錫伯族，新疆烏魯木齊人，碩士，教授，碩士生導師，從事土木工程的教育與科研工作。

Tel.:13109915981；E-mail：LiuQing2666@163.com

G 642.0

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1006-7167(2016)01-0141-05