瀝青混合料馬歇爾虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺建設(shè)

金韶霞 張敏花 張?jiān)粕?/p>

(浙江科技學(xué)院中德工程師學(xué)院 浙江杭州 310023)

瀝青混合料作為道路工程的重要材料，其性能的優(yōu)劣直接影響瀝青路面的使用性能和壽命[1]。所謂瀝青混合料，是指將粗集料、細(xì)集料和填料按合理配合比設(shè)計(jì)組成的礦質(zhì)混合料與適量瀝青拌和而成的混合物。瀝青混合料馬歇爾實(shí)驗(yàn)是《建筑材料》課程中不可缺少的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，也是中德合作辦學(xué)土木工程專業(yè)重要的實(shí)踐環(huán)節(jié)。中德合作辦學(xué)土木工程專業(yè)的特殊性在于在專業(yè)基礎(chǔ)學(xué)習(xí)階段不區(qū)分專業(yè)方向，工民建、道橋、水利工程等課程均會涉及，到了高年級可選擇專業(yè)方向進(jìn)行深入學(xué)習(xí)。《建筑材料》作為專業(yè)基礎(chǔ)階段的課程設(shè)置32學(xué)時(shí)的實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)，瀝青混合料實(shí)驗(yàn)是該門課程的重要內(nèi)容之一。國內(nèi)除了道路工程專業(yè)注重瀝青混合料的學(xué)習(xí)并開設(shè)實(shí)驗(yàn)，一般土木工程專業(yè)由于受到學(xué)時(shí)限制不開設(shè)該實(shí)驗(yàn)，建筑材料實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)從8學(xué)時(shí)到20學(xué)時(shí)不等，側(cè)重混凝土實(shí)驗(yàn)教學(xué)。

在現(xiàn)實(shí)教學(xué)中，由于受到實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源與課堂時(shí)間的限制，學(xué)生只能分組完成實(shí)驗(yàn)，無法做到人人動手參與實(shí)驗(yàn)的各個(gè)步驟。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)可以讓學(xué)生隨時(shí)隨地開展實(shí)驗(yàn)，不受時(shí)間、場地的限制[2-3]。此外，在制備瀝青混合料試樣過程中，需將瀝青進(jìn)行高溫加熱，高溫下的瀝青及其煙氣對人體有害，對皮膚粘膜具有刺激性、有光毒作用和致癌作用，為了更好地保證師生健康，特開發(fā)瀝青混合料馬歇爾虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺。高校實(shí)驗(yàn)室作為學(xué)生實(shí)踐能力培養(yǎng)的重要場所，實(shí)驗(yàn)室安全是教學(xué)活動順利開展的基本保障，也是師生生命安全的必要條件[4-5]。趙毅等人研發(fā)了瀝青混合料車轍虛擬仿真系統(tǒng)，解決了重慶交通大學(xué)瀝青混合料車轍試驗(yàn)傳統(tǒng)教學(xué)過程中學(xué)生實(shí)踐操作不足的問題[6]。孫艷娜等人結(jié)合同濟(jì)大學(xué)瀝青實(shí)驗(yàn)教學(xué)實(shí)際情況開發(fā)了瀝青性能虛擬仿真實(shí)驗(yàn)[7-8]，沒有涉及瀝青混合料實(shí)驗(yàn)。馬登成等人以長安大學(xué)瀝青混合料拌制過程為主線，進(jìn)行了瀝青混合料拌和虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目建設(shè)，以期提高學(xué)生對瀝青混合料拌制過程與拌和站內(nèi)部結(jié)構(gòu)的了解[9]。

目前開發(fā)的有關(guān)瀝青混合料虛擬仿真的實(shí)驗(yàn)有瀝青混合料拌和與車轍實(shí)驗(yàn)，尚未有馬歇爾穩(wěn)定度實(shí)驗(yàn)。該虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺結(jié)合浙江科技學(xué)院中德工程師學(xué)院土木工程專業(yè)《建筑材料》實(shí)驗(yàn)課程的實(shí)際情況，讓學(xué)生通過操作更好地了解瀝青混合料馬歇爾實(shí)驗(yàn)的流程包括瀝青混合料的拌和、馬歇爾試塊的制備、脫模、測量與稱重、馬歇爾穩(wěn)定度和流值的測定等。通過虛實(shí)結(jié)合的方法，完善課程體系中缺失的讓每位學(xué)生動手實(shí)操的環(huán)節(jié)，通過人機(jī)交互激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)效率的同時(shí)提升學(xué)生的動手能力。

1 瀝青混合料馬歇爾實(shí)驗(yàn)的特點(diǎn)

瀝青混合料屬于《建筑材料》的課程內(nèi)容，作為重要的路面材料，其配合比設(shè)計(jì)及測試其性能的馬歇爾實(shí)驗(yàn)也是要求土木工程專業(yè)學(xué)生掌握的重點(diǎn)內(nèi)容。比起混凝土，以瀝青混合料作為路面的優(yōu)勢在于無需設(shè)置施工縫和伸縮縫、施工方便、工期短、行車舒適度高[10]。在低溫條件下瀝青混合料的強(qiáng)度較高，而高溫條件下會低很多，因此需要對瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性進(jìn)行測試。《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》（JTG F40-2019）規(guī)定，通過馬歇爾穩(wěn)定度實(shí)驗(yàn)對瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性進(jìn)行評價(jià)，也可為瀝青混合料的配合比設(shè)計(jì)提供依據(jù)[11-13]。

馬歇爾實(shí)驗(yàn)是確定瀝青混合料最佳油石比的實(shí)驗(yàn)，其實(shí)驗(yàn)過程是將試件在規(guī)定溫濕度條件下標(biāo)準(zhǔn)擊實(shí)，測定瀝青混合料的穩(wěn)定度和流值等指標(biāo)，通過計(jì)算繪制油石比與穩(wěn)定度、流值、密度、空隙率、飽和度的關(guān)系曲線，從而確定瀝青混合料的最佳油石比[14-15]。實(shí)驗(yàn)過程中測得的荷載最大值即為試樣的穩(wěn)定度，而最大荷載時(shí)試樣的垂直變形值即為流值。相較于《建筑材料》其他實(shí)驗(yàn)來說，馬歇爾實(shí)驗(yàn)在準(zhǔn)備與操作過程中存在以下難度。

（1）石油瀝青質(zhì)量與氣味問題。馬歇爾實(shí)驗(yàn)的原材料之一石油瀝青采購困難，每次采購的瀝青質(zhì)量不一，很難達(dá)到預(yù)期的實(shí)驗(yàn)效果。此外，在制備瀝青混合料前需將瀝青置于烘箱中進(jìn)行預(yù)熱，高溫下的瀝青氣味難聞，不利于人體健康，實(shí)驗(yàn)室雖配備了通風(fēng)設(shè)備與專用口罩也無法完全避免。

（2）實(shí)驗(yàn)溫度難以保證。制備馬歇爾試塊前需將礦料與瀝青預(yù)熱至拌和溫度或以上，在之后的整個(gè)實(shí)驗(yàn)操作過程中均需保證瀝青混合料的溫度，否則就得重做。在實(shí)驗(yàn)操作過程中保證瀝青混合料溫度要求學(xué)生對實(shí)驗(yàn)流程及操作很熟悉，而這對于學(xué)生來說有一定難度，且高溫操作有一定的危險(xiǎn)性，涉及師生安全問題。

（3）瀝青混合料攪拌問題。為了保證馬歇爾試塊制備時(shí)的溫度，需將瀝青混合料攪拌機(jī)中攪拌完成的瀝青混合料迅速取出進(jìn)行試塊制備，由于3 個(gè)試塊的制備是依次進(jìn)行的，故在制備第一個(gè)試塊時(shí)需將剩余瀝青混合料置于加熱板上加熱以保證溫度。實(shí)際操作過程中需要小組成員事先協(xié)調(diào)分工，分別負(fù)責(zé)試塊制備與材料保溫。此外，根據(jù)幾年來筆者學(xué)院的實(shí)驗(yàn)情況，攪拌機(jī)易在攪拌過程中因儀器質(zhì)量問題停止攪拌導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)無法繼續(xù)。

（4）試塊成型過程中擊實(shí)儀的問題。試塊成型需要將試塊放入擊實(shí)儀進(jìn)行擊實(shí)，擊實(shí)過程中存在噪音問題，在場的學(xué)生可以通過戴耳罩的方式降噪，但仍會影響實(shí)驗(yàn)樓里其他教室的教學(xué)或辦公室的辦公。

（5）試塊水浴期間等待時(shí)間長。馬歇爾實(shí)驗(yàn)過程中測表干密度與馬歇爾穩(wěn)定度前需將試塊按規(guī)范要求放入水浴箱水浴，使其達(dá)到實(shí)驗(yàn)所要求的溫度，時(shí)間分別為90 min與30～40 min，等待時(shí)間長。

圖1 瀝青混合料馬歇爾虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺總體架構(gòu)

由于受到實(shí)驗(yàn)條件如實(shí)驗(yàn)場地與時(shí)間的限制，以上問題很難解決，而虛擬仿真實(shí)驗(yàn)可以很好地解決現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)無法解決的問題。

2 瀝青混合料馬歇爾虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺建設(shè)

2.1 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺總體架構(gòu)

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺采用Unity3D 技術(shù)，使用者可以通過網(wǎng)絡(luò)平臺隨時(shí)隨地開展實(shí)驗(yàn)，其組織框架分為學(xué)生端與教師端。學(xué)生端包括實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備、實(shí)驗(yàn)操作與實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析等內(nèi)容，教師端包括實(shí)驗(yàn)結(jié)果查看與系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫維護(hù)，教師可以通過實(shí)驗(yàn)結(jié)果查看了解學(xué)生的實(shí)驗(yàn)完成情況與掌握程度，而系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫維護(hù)模塊則用于教師創(chuàng)建及導(dǎo)入數(shù)據(jù)，包括實(shí)驗(yàn)條件如溫度、測量誤差等數(shù)據(jù)的導(dǎo)入與修改。

該實(shí)驗(yàn)平臺由實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備模塊、虛擬仿真實(shí)驗(yàn)實(shí)操模塊及實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析模塊組成，其中實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備模塊包括實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹?shí)驗(yàn)流程介紹、儀器認(rèn)知和注意事項(xiàng)四部分；虛擬仿真實(shí)驗(yàn)實(shí)操是該平臺的核心部分，包括瀝青混合料的攪拌、馬歇爾試塊的制備、馬歇爾試塊的脫模與稱量、馬歇爾穩(wěn)定度的測定等實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，學(xué)生要在完成實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)上開展虛擬仿真實(shí)驗(yàn)實(shí)操，通過實(shí)驗(yàn)操作考查學(xué)生對實(shí)驗(yàn)流程的掌握情況；實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析模塊則是在學(xué)生完成虛擬仿真實(shí)驗(yàn)操作后，根據(jù)學(xué)生的測量及后續(xù)自主計(jì)算數(shù)據(jù)自動生成實(shí)驗(yàn)報(bào)告，系統(tǒng)會對學(xué)生的實(shí)驗(yàn)操作與結(jié)果進(jìn)行評價(jià)，學(xué)生也可對自己的實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析。

2.2 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺建設(shè)

在開始虛擬仿真實(shí)驗(yàn)實(shí)操前需進(jìn)行實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備工作，除了了解實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹?shí)驗(yàn)流程、注意事項(xiàng)外，學(xué)生可點(diǎn)擊操作界面上的儀器名稱查看儀器圖片與說明進(jìn)行儀器認(rèn)知。此外，還需根據(jù)規(guī)范進(jìn)行瀝青混合料配合比設(shè)計(jì)，為后期實(shí)驗(yàn)的開展做準(zhǔn)備，在計(jì)算出瀝青混合料各成分質(zhì)量后在相應(yīng)空格處填入數(shù)值（操作界面見圖2），數(shù)值無誤方可進(jìn)入實(shí)驗(yàn)實(shí)操。

圖2 瀝青混合料馬歇爾虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備模塊操作界面

實(shí)驗(yàn)實(shí)操是該虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的核心部分，內(nèi)容包括瀝青混合料的攪拌、馬歇爾試塊的制備、馬歇爾試塊的脫模與稱量、馬歇爾穩(wěn)定度的測定。實(shí)驗(yàn)過程中需要學(xué)生對馬歇爾試塊進(jìn)行測量與稱重，在操作界面輸入實(shí)驗(yàn)結(jié)果并進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，這同時(shí)也是對學(xué)生實(shí)驗(yàn)操作及實(shí)驗(yàn)內(nèi)容理解程度的考核。

在開始瀝青混合料攪拌前需將其組成成分提前篩分好放入烘箱預(yù)熱至攪拌溫度（如圖3（a）所示），預(yù)熱需至少1 h，比起現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)可以大大節(jié)省材料的準(zhǔn)備與預(yù)熱時(shí)間，通過虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺可以很方便地控制烘箱預(yù)熱溫度與時(shí)間。瀝青混合料的攪拌對礦料、瀝青及所需器皿的溫度要求很高，只有在保證攪拌溫度的前提下才能將瀝青混合料的組成成分倒入攪拌鍋進(jìn)行攪拌，期間需用紅外測溫儀測溫，當(dāng)瀝青混合料達(dá)到溫度要求后迅速將其倒出制作馬歇爾試塊（如圖3（b）所示）。制作試塊期間需將瀝青混合料置于加熱設(shè)備上加熱以保證其溫度，試塊稱重完成后的擊實(shí)環(huán)節(jié)也需在保證瀝青混合料溫度的前提下進(jìn)行，否則需重做實(shí)驗(yàn)。現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)時(shí)，由于實(shí)驗(yàn)條件的限制或?qū)W生對實(shí)驗(yàn)操作不夠熟悉等原因?qū)е禄旌狭蠝囟冗_(dá)不到要求，而虛擬仿真實(shí)驗(yàn)可以在保證實(shí)驗(yàn)溫度的條件下讓學(xué)生完成該部分實(shí)驗(yàn)操作。此外，馬歇爾試塊的稱重與測量也是該實(shí)驗(yàn)考查的重點(diǎn)內(nèi)容之一，學(xué)生需熟悉稱量天平與游標(biāo)卡尺的操作與讀數(shù)（如圖3（c）所示），虛擬仿真實(shí)驗(yàn)過程中也會對該部分內(nèi)容進(jìn)行考查，如制備的馬歇爾試塊不符合直徑（101.6±0.2）mm與高度（63.5±1.3）mm的要求系統(tǒng)會提示試塊讀數(shù)不正確或試塊尺寸不符合要求，需重新讀數(shù)或稱量。馬歇爾穩(wěn)定度實(shí)驗(yàn)要求在測定馬歇爾穩(wěn)定度前將試塊置于60 ℃的水浴箱30～40 min，取出試塊后在30 s內(nèi)完成馬歇爾穩(wěn)定度與流值的測定（如圖3（d）所示），該部分實(shí)驗(yàn)操作考查學(xué)生對標(biāo)準(zhǔn)馬歇爾實(shí)驗(yàn)流程的掌握程度及馬歇爾穩(wěn)定度儀的操作情況，由于學(xué)生操作不當(dāng)引起實(shí)驗(yàn)結(jié)果不準(zhǔn)確在現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)時(shí)也只能讓學(xué)生自行分析原因，很難再重新制作試塊重做實(shí)驗(yàn)，通過虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺學(xué)生可以隨時(shí)重做實(shí)驗(yàn)，只有在實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)達(dá)到要求的情況下才算達(dá)到實(shí)驗(yàn)的考核要求。

圖3 瀝青混合料馬歇爾虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺操作界面

3 瀝青混合料馬歇爾虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)特色

該虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺基于傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)進(jìn)行了拓展，除了能夠?qū)崿F(xiàn)傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)外，還能夠?qū)崿F(xiàn)實(shí)時(shí)的實(shí)驗(yàn)考核與管理。作為一種新的教學(xué)方法虛擬仿真真實(shí)再現(xiàn)了瀝青混合料的攪拌與成型、馬歇爾試塊的測量與稱重及標(biāo)準(zhǔn)馬歇爾穩(wěn)定度實(shí)驗(yàn)，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣的同時(shí)也大大改善了教學(xué)效果。學(xué)生能夠在該平臺自主完成實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的學(xué)習(xí)與操作、開展實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析、撰寫實(shí)驗(yàn)報(bào)告，教師也可以通過平臺對實(shí)驗(yàn)過程進(jìn)行管理，完成傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中無法實(shí)現(xiàn)的部分。

教師可以借助虛擬仿真平臺結(jié)合現(xiàn)場教學(xué)，實(shí)現(xiàn)交互式的教學(xué)方法，培養(yǎng)學(xué)生的主觀能動性。學(xué)生在虛擬仿真實(shí)驗(yàn)過程中能夠以場景漫游的方式進(jìn)行交互性操作，如打開烘箱依次取出礦料成分進(jìn)行稱重、將礦料倒入攪拌機(jī)進(jìn)行攪拌、稱量并制作馬歇爾試塊、試塊稱重與測量、馬歇爾穩(wěn)定度的測定等。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的漫游場景取自實(shí)驗(yàn)室真實(shí)場景，實(shí)驗(yàn)操作中的儀器、試塊等圖片均來自實(shí)驗(yàn)室實(shí)拍。學(xué)生實(shí)驗(yàn)實(shí)操過程中由于操作不當(dāng)或儀器問題無法繼續(xù)實(shí)驗(yàn)時(shí)均需重做實(shí)驗(yàn)，而現(xiàn)場由于實(shí)驗(yàn)條件不允許或沒有多余試塊導(dǎo)致學(xué)生缺少實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)可以很方便地通過重做實(shí)驗(yàn)解決這一問題。

比起現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)強(qiáng)化了學(xué)生預(yù)習(xí)，在開始實(shí)驗(yàn)前與實(shí)驗(yàn)過程中均設(shè)置了實(shí)習(xí)內(nèi)容的考核，如瀝青混合料配合比設(shè)計(jì)，學(xué)生計(jì)算得出的結(jié)果不符合配合比要求則無法開始實(shí)驗(yàn)，系統(tǒng)會根據(jù)學(xué)生輸入的數(shù)值自行判定；實(shí)驗(yàn)過程中的考核比如礦料成分的稱重順序，選取順序錯誤則需重做實(shí)驗(yàn)，符合現(xiàn)場操作的實(shí)際情況；此外，實(shí)驗(yàn)過程中還會對游標(biāo)卡尺等測量儀器的使用進(jìn)行考查，通過學(xué)生記錄的數(shù)據(jù)與之后撰寫的實(shí)習(xí)報(bào)告進(jìn)行考核與評定。這些均要求學(xué)生在實(shí)驗(yàn)操作前進(jìn)行預(yù)習(xí)，強(qiáng)化了學(xué)生預(yù)習(xí)的同時(shí)提高了學(xué)生的自主探究能力。

4 結(jié)語

瀝青混合料馬歇爾虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺提供了自主式、開放式的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式，改變了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)無法隨時(shí)隨地開展實(shí)驗(yàn)的限制，學(xué)生只需用賬號登錄即可在電腦上學(xué)習(xí)與操作該實(shí)驗(yàn)。此外，虛擬仿真也為教學(xué)與科研提供給了更好的平臺。項(xiàng)目在建設(shè)完成后已在本校土木工程專業(yè)學(xué)生中開展應(yīng)用，教學(xué)效果良好。