基于PBL的混凝土动态压缩性能实验教学研究

陈猛

摘  要：为了提高土木工程专业学生对混凝土动态力学性能和损伤机理的认识，在培养方案中开设混凝土动态压缩性能实验内容。文章介绍了教学目标和基于PBL的教学设计;阐述了霍普金森压杆（SHPB）设备组成和测试原理，以C60混凝土动态压缩性能实验为例，介绍实验设计、试件制备和结果分析。教学结果表明，基于PBL模式的实验教学可以有效提升学生的实践操作、理论应用和创新意识等方面的能力。

关键词：混凝土;动态性能;实验教学;PBL （Problem-Based Learning）;霍普金森压杆（SHPB）

中图分类号：G642        文献标志码：A          文章编号：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）

實验教学是土木工程专业学生培养目标达成的重要环节。实验教学可以提高学生工程素养、实践能力和创新意识[1]。PBL （Problem-Based Learning）教学模式应用于实验教学过程中，可以将教学目标中的实际问题作为学生学习的动力，让学生围绕具体问题进行主动学习[2]，思考问题相关的基础知识，激发学生的创新思维和学习兴趣，提高学生沟通协作和解决实际问题的能力。

土木工程材料和结构的实验教学可以将理论知识与工程实践紧密结合，拓展学生理论联系实际的能力，加深学生对材料和结构损伤危害的理解。传统土木工程实验教学中主要针对混凝土的静态力学性能开展实验，随着国家基础建设的发展，工程的设计中需要考虑防自然灾害（滑坡、泥石流等）、防武器打击、工程扰动引起的岩爆等动态冲击荷载的影响[3-5]，因此在培养方案中设置混凝土类材料动态力学性能的教学环节，可以有效训练学生掌握冲击荷载下材料及结构损伤理论，具备工程的科学防护思维。

利用霍普金森压杆（SHPB）实验系统，以土木工程材料实验中的混凝土配合比设计和立方体抗压强度测试为基础，开设混凝土动态力学性能实验。在实验教学设计中应用PBL教学模式，贯彻OBE教学理念，着重训练实验原理和操作方法，在教学过程中持续改进教学方法，增强学生对混凝土动态压缩性能和损伤模式的理解。

一、基于PBL的教学设计

（一）教学目标

通过混凝土动态压缩性能实验训练学生对混凝土材料动力特性和损伤规律的认识，以解决动态压缩性能测试和数据分析问题为目标，回顾土木工程材料课程中的混凝土配合比设计、制备及养护方法、混凝土静态抗压强度测试及数据分析等基本知识;让学生掌握SHPB测试动态压缩性能的基本原理和操作方法，熟悉应力波的相关知识，直观展示混凝土类材料的应变率效应、动态损伤模式，加深对动态冲击作用机理的理解。

（二）教学内容设计

基于PBL教学模式进行混凝土动态压缩性能实验教学设计，以混凝土动态压缩性能的测试原理和方法为核心问题，拓展混凝土静态和动态抗压性能的对比，让学生重点掌握混凝土类材料的应变率效应特征。回顾混凝土立方体抗压强度测试方法、试件尺寸效应、数据分析等知识，引导学生探索实验操作方法、应变测试原理、动态抗压强度计算方法等知识。

二、混凝土动态压缩性能实验

（一）SHPB实验设备

分离式霍普金森压杆（见图1）主体结构包括撞击杆、入射杆、透射杆和吸收杆，长度分别为600mm、5000mm、3500mm、1200mm，材料为高强度合金钢，直径均为100mm。附属设备包括发射装置、测速装置、缓冲装置和应变信号采集装置。调整氮气压力和撞击杆深度，可以测试混凝土在不同应变率下的抗压性能。

（二）实验原理

充气装置达到设定气压后，开动阀门，迅速释放的氮气驱动撞击杆撞击入射杆，在入射杆中产生压缩应力波，称为入射波（？着i（t））。入射波在入射杆与试件的接触面产生反射的拉伸波即反射波（？着r（t）），同时向试件传播并进入透射杆，称为透射波（？着t（t））。在入射杆和透射杆距试件端部2500mm处分别粘贴电阻应变片用于实时记录波形数据。

基于一维波在弹性杆中的传递理论和应力均匀性假定[6]，为保证测试过程中试件两端的应力均匀，在入射杆的冲击表面粘贴直径50mm、厚度2mm的橡胶垫片用于波形整形。橡胶垫片可以通过受到冲击后的塑性变形削弱波的震荡，减弱试验中的弥散效应[7]。入射波与反射波叠加后约等于透射波，表明试验中达到了应力均匀[8]，即

在满足应力波一维传播假定与试件应力平衡的条件下，选择三波法对试验数据进行处理，动态应力？滓s（t），动态应变？着s（t）和应变率s（t）计算公式为

（2）

其中E表示杆的弹性模量（MPa）;A0代表杆的横截面积（mm2）;AS为试件的横截面积（mm2）;C0代表的是杆中弹性波波速（m/s）;ls代表试件厚度（mm）。

（三）试件制备

采用P.Ⅰ.42.5水泥作为胶凝材料。细骨料采用比重2.56，最大粒径4.75mm的天然河砂。粗骨料由粒径在5～10mm范围的花岗岩碎石混合而成。加入聚羧酸高效减水剂用于提高混凝土的流动性，混凝土配合比见表1。

按照配合比将水泥、粗骨料、细骨料倒入搅拌机中干拌1分钟，之后加入水和减水剂搅拌不少于2分钟。搅拌完成后，迅速将混凝土拌合物倒入模具（边长为150mm的立方体和直径100mm、高度50mm的圆柱体）中，放置在振动台上振捣直至表面浮浆泛起。振捣完成放置24小时后脱模，放入标准养护室（温度20±2℃，相对湿度95%以上）养护至28d。实验设计及试件数量见表2。对养护好的圆柱体试件进行端面磨平，保证试件两端面不平行度误差不大于0.1mm，端面与轴线的偏差不大于0.25°。

注：静态抗压强度采用边长150mm的立方体试件，动态压缩性能采用直径100mm、高度50mm的圆柱体试件。

（四）实验结果及分析

1. 破坏形态

图2为不同应变率下混凝土的冲击破坏形态。随着应变率的增加，试件中微裂纹和宏观裂纹增多，碎块数量增多。当平均应变率为58.6s-1时，试件周围出现张应变破坏，混凝土内部裂纹逐渐发育，试件出现边缘裂开和脱落破坏;当平均应变率为75.6s-1时，混凝土试件周边破碎，中间部分保持完整，即留芯破坏形态;当平均应变率大于99.2s-1时，试件破碎成松散的颗粒，表现为整体破坏，随着应变率增大，碎块尺寸减小。

2. 应变率的影响

混凝土在平均应变率为37.8s-1、58.6s-1、75.6s-1、99.2s-1、111.7s-1、123.5s-1时的应力应变曲线见图3，峰值应力分别为39.2MPa、74.7MPa、78.3MPa、91.2MPa、99.1MPa、113.9MPa。不同应变率下的应力应变曲线呈现出相同的变化特征，即在初始上升阶段为线弹性阶段，之后为弹塑性应变强化段，此时混凝土中的微裂纹开始产生并扩展。在达到峰值应力后，应力应变曲线呈现下降趋势，进入软化阶段，混凝土裂纹进一步扩展，最后混凝土发生破坏[9]。

混凝土动态抗压强度随应变率的增大而增大。平均应变率从37.8s-1增至123.5s-1，动态抗压强度提升了190.6%，表明混凝土动态抗压强度具有明显的应变率效应，原因是试件接触面的横向惯性效应在动态冲击试验中引起抗压强度上升。同时，由于高速冲击下系统的能量平衡原理[10]，混凝土裂縫产生所需要的能量远高于混凝土裂缝扩展所需要的能量[11]，在高应变率作用下，微裂纹的数量迅速增加，而混凝土内部没有足够时间积累能量来抵抗变形，只能通过增加内部应力从而增强能量吸收来抵抗冲击[12]。

DIF（Dynamic Increase Factor）为混凝土动态抗压强度与静态抗压强度的比值，静态抗压强度为67.3MPa。当平均应变率为37.8s-1时，DIF小于1，原因是在较低应变率下混凝土内部不能产生足够的微裂纹，无法耗散较多能量[13]。当应变率高于37.8s-1时，DIF大于1，此时混凝土动态抗压强度大于静态抗压强度。同时混凝土的DIF随着应变率的增加而增加，这是因为在高应变率作用下混凝土动态抗压强度在逐渐增加。

三、学生能力培养

实验教学是土木工程类学生培养的重要环节，基于PBL教学模式科学设计实验教学内容和操作环节，可以有效提升学生的实践操作、理论应用和创新意识等方面的能力。

（一）实践操作能力培养

利用SHPB装置对混凝土进行动态冲击压缩性能测试，围绕混凝土动态压缩性能开展实验准备，让学生从混凝土配合比设计入手，进行实验设计、试件制备、静态及动态压缩性能测试和数据分析等工作，训练学生组内分工协作，鼓励学生积极参与实验过程，提高学生学习主动性。

（二）理论应用能力培养

在混凝土动态冲击压缩实验中涉及SHPB测试原理、应力波理论、混凝土动态损伤机理和动态本构关系分析等知识，结合实验测试原理和采集的数据进行结果分析。强化学生对材料宏观损伤和力学机理认识，理解应力应变曲线反映的混凝土动态本构关系。在实验教学过程中培养学生牢固掌握基础理论，并能在实践过程中灵活运用，达到理论与实践的有机结合。

（三）创新思维培养

混凝土类材料的动态力学性能是工程防护设计的基础[14]，引导学生积极思考动态力学性能的影响因素并科学控制材料的动态力学性能。对不同实验小组设定实验变量，让学生了解混凝土强度、水灰比、砂率和骨料性能等对混凝土动态冲击压缩性能的影响。拓展围压状态下混凝土的动态压缩性能分析，启发学生思考混凝土动态劈裂抗拉性能实验的操作方法和基本原理。从材料自身特点和加载状态等方面训练学生创新思维，培养学生创新能力。

四、结束语

（1）混凝土的动态力学性能关系冲击荷载下工程结构的安全性，培养土木工程专业学生科学测试和分析混凝土的动态冲击压缩性能具有重要工程意义。基于PBL教学模式设计实验教学内容，学生可以较好地掌握实验原理和基本操作。

（2）对比分析混凝土动态和静态压缩性能，可以强化学生掌握混凝土的应变率效应规律，分析动态损伤机理，理解动态本构关系。

（3）混凝土动态压缩性能实验教学可以拓展学生对应力波、SHPB测试原理和材料损伤机理等方面的理解，通过实验课程可以训练学生的实践操作、理论应用和创新思维等能力。

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