基于PBL的混凝土動態壓縮性能實驗教學研究

陳猛

摘? 要：為了提高土木工程專業學生對混凝土動態力學性能和損傷機理的認識，在培養方案中開設混凝土動態壓縮性能實驗內容。文章介紹了教學目標和基于PBL的教學設計;闡述了霍普金森壓桿（SHPB）設備組成和測試原理，以C60混凝土動態壓縮性能實驗為例，介紹實驗設計、試件制備和結果分析。教學結果表明，基于PBL模式的實驗教學可以有效提升學生的實踐操作、理論應用和創新意識等方面的能力。

關鍵詞：混凝土;動態性能;實驗教學;PBL （Problem-Based Learning）;霍普金森壓桿（SHPB）

中圖分類號：G642? ? ? ? 文獻標志碼：A? ? ? ? ? 文章編號：2096-000X（2021）17-0084-04

Abstract： In order to improve civil engineering students' understanding about dynamic mechanical properties and damage mechanism of concrete， experiment on dynamic compressive properties of concrete is added to the training program. This paper introduces the teaching goal and teaching design based on PBL， and expounds the composition and testing principle of split Hopkinson pressure bar （SHPB） equipment. The experimental design， specimen preparation and result analysis are introduced by taking the dynamic compressive performance of C60 concrete for example. The teaching results show that the experimental teaching based on PBL model can effectively improve students' ability in practical operation， theoretical application and innovative consciousness.

Keywords： concrete; dynamic property; experimental teaching; PBL （Problem-Based Learning）; split Hopkinson pressure bar （SHPB）

實驗教學是土木工程專業學生培養目標達成的重要環節。實驗教學可以提高學生工程素養、實踐能力和創新意識[1]。PBL （Problem-Based Learning）教學模式應用于實驗教學過程中，可以將教學目標中的實際問題作為學生學習的動力，讓學生圍繞具體問題進行主動學習[2]，思考問題相關的基礎知識，激發學生的創新思維和學習興趣，提高學生溝通協作和解決實際問題的能力。

土木工程材料和結構的實驗教學可以將理論知識與工程實踐緊密結合，拓展學生理論聯系實際的能力，加深學生對材料和結構損傷危害的理解。傳統土木工程實驗教學中主要針對混凝土的靜態力學性能開展實驗，隨著國家基礎建設的發展，工程的設計中需要考慮防自然災害（滑坡、泥石流等）、防武器打擊、工程擾動引起的巖爆等動態沖擊荷載的影響[3-5]，因此在培養方案中設置混凝土類材料動態力學性能的教學環節，可以有效訓練學生掌握沖擊荷載下材料及結構損傷理論，具備工程的科學防護思維。

利用霍普金森壓桿（SHPB）實驗系統，以土木工程材料實驗中的混凝土配合比設計和立方體抗壓強度測試為基礎，開設混凝土動態力學性能實驗。在實驗教學設計中應用PBL教學模式，貫徹OBE教學理念，著重訓練實驗原理和操作方法，在教學過程中持續改進教學方法，增強學生對混凝土動態壓縮性能和損傷模式的理解。

一、基于PBL的教學設計

（一）教學目標

通過混凝土動態壓縮性能實驗訓練學生對混凝土材料動力特性和損傷規律的認識，以解決動態壓縮性能測試和數據分析問題為目標，回顧土木工程材料課程中的混凝土配合比設計、制備及養護方法、混凝土靜態抗壓強度測試及數據分析等基本知識;讓學生掌握SHPB測試動態壓縮性能的基本原理和操作方法，熟悉應力波的相關知識，直觀展示混凝土類材料的應變率效應、動態損傷模式，加深對動態沖擊作用機理的理解。

（二）教學內容設計

基于PBL教學模式進行混凝土動態壓縮性能實驗教學設計，以混凝土動態壓縮性能的測試原理和方法為核心問題，拓展混凝土靜態和動態抗壓性能的對比，讓學生重點掌握混凝土類材料的應變率效應特征?；仡櫥炷亮⒎襟w抗壓強度測試方法、試件尺寸效應、數據分析等知識，引導學生探索實驗操作方法、應變測試原理、動態抗壓強度計算方法等知識。

二、混凝土動態壓縮性能實驗

（一）SHPB實驗設備

分離式霍普金森壓桿（見圖1）主體結構包括撞擊桿、入射桿、透射桿和吸收桿，長度分別為600mm、5000mm、3500mm、1200mm，材料為高強度合金鋼，直徑均為100mm。附屬設備包括發射裝置、測速裝置、緩沖裝置和應變信號采集裝置。調整氮氣壓力和撞擊桿深度，可以測試混凝土在不同應變率下的抗壓性能。

（二）實驗原理

充氣裝置達到設定氣壓后，開動閥門，迅速釋放的氮氣驅動撞擊桿撞擊入射桿，在入射桿中產生壓縮應力波，稱為入射波（？著i（t））。入射波在入射桿與試件的接觸面產生反射的拉伸波即反射波（？著r（t）），同時向試件傳播并進入透射桿，稱為透射波（？著t（t））。在入射桿和透射桿距試件端部2500mm處分別粘貼電阻應變片用于實時記錄波形數據。

基于一維波在彈性桿中的傳遞理論和應力均勻性假定[6]，為保證測試過程中試件兩端的應力均勻，在入射桿的沖擊表面粘貼直徑50mm、厚度2mm的橡膠墊片用于波形整形。橡膠墊片可以通過受到沖擊后的塑性變形削弱波的震蕩，減弱試驗中的彌散效應[7]。入射波與反射波疊加后約等于透射波，表明試驗中達到了應力均勻[8]，即

在滿足應力波一維傳播假定與試件應力平衡的條件下，選擇三波法對試驗數據進行處理，動態應力？滓s（t），動態應變？著s（t）和應變率s（t）計算公式為

（2）

其中E表示桿的彈性模量（MPa）;A0代表桿的橫截面積（mm2）;AS為試件的橫截面積（mm2）;C0代表的是桿中彈性波波速（m/s）;ls代表試件厚度（mm）。

（三）試件制備

采用P.Ⅰ.42.5水泥作為膠凝材料。細骨料采用比重2.56，最大粒徑4.75mm的天然河砂。粗骨料由粒徑在5～10mm范圍的花崗巖碎石混合而成。加入聚羧酸高效減水劑用于提高混凝土的流動性，混凝土配合比見表1。

按照配合比將水泥、粗骨料、細骨料倒入攪拌機中干拌1分鐘，之后加入水和減水劑攪拌不少于2分鐘。攪拌完成后，迅速將混凝土拌合物倒入模具（邊長為150mm的立方體和直徑100mm、高度50mm的圓柱體）中，放置在振動臺上振搗直至表面浮漿泛起。振搗完成放置24小時后脫模，放入標準養護室（溫度20±2℃，相對濕度95%以上）養護至28d。實驗設計及試件數量見表2。對養護好的圓柱體試件進行端面磨平，保證試件兩端面不平行度誤差不大于0.1mm，端面與軸線的偏差不大于0.25°。

注：靜態抗壓強度采用邊長150mm的立方體試件，動態壓縮性能采用直徑100mm、高度50mm的圓柱體試件。

（四）實驗結果及分析

1. 破壞形態

圖2為不同應變率下混凝土的沖擊破壞形態。隨著應變率的增加，試件中微裂紋和宏觀裂紋增多，碎塊數量增多。當平均應變率為58.6s-1時，試件周圍出現張應變破壞，混凝土內部裂紋逐漸發育，試件出現邊緣裂開和脫落破壞;當平均應變率為75.6s-1時，混凝土試件周邊破碎，中間部分保持完整，即留芯破壞形態;當平均應變率大于99.2s-1時，試件破碎成松散的顆粒，表現為整體破壞，隨著應變率增大，碎塊尺寸減小。

2. 應變率的影響

混凝土在平均應變率為37.8s-1、58.6s-1、75.6s-1、99.2s-1、111.7s-1、123.5s-1時的應力應變曲線見圖3，峰值應力分別為39.2MPa、74.7MPa、78.3MPa、91.2MPa、99.1MPa、113.9MPa。不同應變率下的應力應變曲線呈現出相同的變化特征，即在初始上升階段為線彈性階段，之后為彈塑性應變強化段，此時混凝土中的微裂紋開始產生并擴展。在達到峰值應力后，應力應變曲線呈現下降趨勢，進入軟化階段，混凝土裂紋進一步擴展，最后混凝土發生破壞[9]。

混凝土動態抗壓強度隨應變率的增大而增大。平均應變率從37.8s-1增至123.5s-1，動態抗壓強度提升了190.6%，表明混凝土動態抗壓強度具有明顯的應變率效應，原因是試件接觸面的橫向慣性效應在動態沖擊試驗中引起抗壓強度上升。同時，由于高速沖擊下系統的能量平衡原理[10]，混凝土裂縫產生所需要的能量遠高于混凝土裂縫擴展所需要的能量[11]，在高應變率作用下，微裂紋的數量迅速增加，而混凝土內部沒有足夠時間積累能量來抵抗變形，只能通過增加內部應力從而增強能量吸收來抵抗沖擊[12]。

DIF（Dynamic Increase Factor）為混凝土動態抗壓強度與靜態抗壓強度的比值，靜態抗壓強度為67.3MPa。當平均應變率為37.8s-1時，DIF小于1，原因是在較低應變率下混凝土內部不能產生足夠的微裂紋，無法耗散較多能量[13]。當應變率高于37.8s-1時，DIF大于1，此時混凝土動態抗壓強度大于靜態抗壓強度。同時混凝土的DIF隨著應變率的增加而增加，這是因為在高應變率作用下混凝土動態抗壓強度在逐漸增加。

三、學生能力培養

實驗教學是土木工程類學生培養的重要環節，基于PBL教學模式科學設計實驗教學內容和操作環節，可以有效提升學生的實踐操作、理論應用和創新意識等方面的能力。

（一）實踐操作能力培養

利用SHPB裝置對混凝土進行動態沖擊壓縮性能測試，圍繞混凝土動態壓縮性能開展實驗準備，讓學生從混凝土配合比設計入手，進行實驗設計、試件制備、靜態及動態壓縮性能測試和數據分析等工作，訓練學生組內分工協作，鼓勵學生積極參與實驗過程，提高學生學習主動性。

（二）理論應用能力培養

在混凝土動態沖擊壓縮實驗中涉及SHPB測試原理、應力波理論、混凝土動態損傷機理和動態本構關系分析等知識，結合實驗測試原理和采集的數據進行結果分析。強化學生對材料宏觀損傷和力學機理認識，理解應力應變曲線反映的混凝土動態本構關系。在實驗教學過程中培養學生牢固掌握基礎理論，并能在實踐過程中靈活運用，達到理論與實踐的有機結合。

（三）創新思維培養

混凝土類材料的動態力學性能是工程防護設計的基礎[14]，引導學生積極思考動態力學性能的影響因素并科學控制材料的動態力學性能。對不同實驗小組設定實驗變量，讓學生了解混凝土強度、水灰比、砂率和骨料性能等對混凝土動態沖擊壓縮性能的影響。拓展圍壓狀態下混凝土的動態壓縮性能分析，啟發學生思考混凝土動態劈裂抗拉性能實驗的操作方法和基本原理。從材料自身特點和加載狀態等方面訓練學生創新思維，培養學生創新能力。

四、結束語

（1）混凝土的動態力學性能關系沖擊荷載下工程結構的安全性，培養土木工程專業學生科學測試和分析混凝土的動態沖擊壓縮性能具有重要工程意義。基于PBL教學模式設計實驗教學內容，學生可以較好地掌握實驗原理和基本操作。

（2）對比分析混凝土動態和靜態壓縮性能，可以強化學生掌握混凝土的應變率效應規律，分析動態損傷機理，理解動態本構關系。

（3）混凝土動態壓縮性能實驗教學可以拓展學生對應力波、SHPB測試原理和材料損傷機理等方面的理解，通過實驗課程可以訓練學生的實踐操作、理論應用和創新思維等能力。

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