土木工程材料课程科研反哺教学研究<br/>——以川藏铁路高地温喷射混凝土创新性实验研究为例

土木工程材料课程科研反哺教学研究
——以川藏铁路高地温喷射混凝土创新性实验研究为例

2021-11-01崔圣爱李福海李固华

实验室研究与探索 2021年9期

崔圣爱，符飞，陈振，张猛，李福海，李固华

（西南交通大学土木工程学院，成都 610031）

0 引言

教育部《关于深化本科教育教学改革全面提高人才培养质量的意见》（教高〔2019〕6 号）中强调围绕学生忙起来、教师强起来、管理严起来、效果实起来，深化本科教育教学改革。文件针对“严格教育教学管理”这一主题，提出了“推动科研反哺教学”的意见，指出强化科研育人功能，推动高校及时把最新科研成果转化为教学内容，激发学生专业学习兴趣。加强对学生科研活动的指导，加大科研实践平台建设力度，推动国家级、省部级科研基地更大范围开放共享，支持学生早进课题、早进实验室、早进团队，以高水平科学研究提高学生创新和实践能力。科研与教学对于高校，尤其是研究型及研教型高校，都非常重要，科研与教学的相融及相辅相成，引起共鸣与广泛思考，在各领域展开了一定的讨论与探索［1-8］。

随着轨道交通领域的蓬勃发展，面向国家重大需求，对于土木工程大类人才的培养，不能仅仅停留在传统的认知和要求，而是需要培养理论基础扎实，专业知识宽厚，具有创新能力和国际视野，能够引领交通土建领域未来发展的领军及高级专门人才。应培养其能根据工程项目的功能、特点、要求和实施条件，综合考虑社会、健康、安全、法律、文化、伦理、环境及可持续发展等因素，设计（开发）针对土木工程领域复杂工程问题的解决方案，并体现创新意识。能够基于科学原理、采用科学方法，对土木工程领域复杂工程问题进行研究，包括设计实验方案、开展实验、采集数据、分析与解释数据、并通过信息综合得到合理有效的结论。

土木工程材料是土木工程专业的核心专业基础课之一，主要从工程使用的角度去研究材料的原料、组成、生产、结构和构造以及环境条件等对材料性能的影响及其相互间关系的一门应用科学。课程的目的在于使学生获得有关土木工程材料的基本理论、基本知识和基本技能，为学生学习相关专业基础课程和专业课程提供土木工程材料的基础知识，并为以后从事土木工程设计与施工能够合理选用与研制土木工程材料和正确使用土木工程材料奠定基础。土木工程材料课程与土木工程实践密切相关，无论是桥梁、隧道或者结构工程领域，无论是水泥、混凝土还是砂浆和钢材，它的学习离不开工程背景、工程应用及工程思考。土木建筑与土木工程材料发展相辅相成，随着大土木结构角度发展越来越成熟，大土木的创新和发展离不开土木工程材料的发展。近些年，新型土木工程材料的发展及严酷服役环境下土木工程材料的研究不断给大土木的发展提供契机和突破。基于此，本文以土木工程材料教学为研究对象或案例，思考和探讨科研反哺教学的意义、作用及实施方式。

恰逢跨世纪超级工程川藏铁路建设这一重大机遇和挑战，川藏铁路穿越横断山及西藏东南部高原、高山峡谷地带，位于高地震烈度、高地应力、高地温、高位能、高寒与高环境梯度的地区，是世界上科学与技术难题最多、难度最大、最为复杂艰险的交通工程。全线隧道总长达1 400 km，占线路总长的80%，川藏铁路的难题凸显在隧道建设，涵盖大量的关键科学问题，引起全国乃至全世界的关注。基于此研究热点，深度参与川藏铁路的关键科学问题的基础研究和应用研究工作，围绕“川藏铁路隧道高地温环境喷射混凝土性能研究”为案例展开科研反哺教学的分析和讨论。基于土木工程类课程教学相似性，与工程实践密切结合，有大量的科研成果和工程案例依托，本文的研究为该类课程科研反哺教学方式可提供引导作用。

1 高地温环境喷射混凝土性能科研反哺

1.1 工程背景

高岩温与高温热水是川藏铁路的重难点之一。川藏铁路穿越地中海-喜马拉雅地热带，全线有50 余处对线路影响的高温热泉，集中于深大活动断裂处。雅昌段地质推测中等以上热害隧道14 座，其中可能遭遇50 ℃以上地温段落长达5.5 km，超过60 ℃以上地温段落长达2 km。隧道中高地热主要以两种形式出现，一种是干热，即在地质构造较好的地方，地质层内部热量通过岩石传到隧道表面。另一种是湿热，即在断裂破碎、断裂转折复合及岩石破碎地段，裂隙发育程度高，地下热水比较容易富集，形成温泉。

在高地温环境下，无论是湿热环境的早期高温养护负效应，还是干热环境喷射混凝土快速升温与失水，均会导致水泥基材料微细观结构劣化，这种劣化与混凝土物化收缩及界面非均匀温度效应共同作用，使得喷射混凝土物理力学指标以及与岩石的粘结性能发生变化，可能出现强度倒缩加剧、系统体积稳定性变差以及与岩石粘结力严重损失，甚至脱粘开裂丧失支护作用。因此，高地温环境喷射混凝土-岩石粘结强度的研究具有重要意义［9-12］。

1.2 喷射混凝土配合比设计及试件成形

喷射混凝土原材料情况为：水泥为P.O42.5R型；砂子为机制砂，细度模数Mx ＝2.7，石粉含量2.0%；碎石，符合5 ～15 mm连续级配；TK-SP 聚羧酸系减水剂；BASF无碱液体速凝剂；粉煤灰，细度7.1%，密度2.28 g/cm3；矿粉，比表面积420 m2/kg，密度2.83 g /cm3；剪切压痕型钢纤维，0.7 mm × 1 mm × 35 mm，公称长度35.0 mm，抗拉强度远大于380 MPa。

根据JGJ55-2011《普通混凝土配合比设计规程》、GB50086-2015《岩土锚杆与喷射混凝土支护工程技术规范》、JGJ/T 372-2016《喷射混凝土应用技术规程》及TB10424-2010《铁路混凝土工程施工质量验收标准》进行基准喷射混凝土（即未掺加矿物掺合料或纤维材料）配合比设计，强度等级为C25。湿喷成形喷射混凝土-岩石大板粘结试件，成形方式如图1 所示。分别通过恒温鼓风干燥箱和恒温水箱模拟高地温干热环境和湿热环境，成形后的试件进行对应环境养护，到规定龄期后测定粘结强度。

图1 湿喷混凝土

科研反哺教学的内容：①认识混凝土原材料及基本参数；②喷射混凝土配合比设计；③减水剂和速凝剂的作用；④对于规范或标准的认知；⑤了解喷射混凝土施工工艺。

1.3 热害对喷射混凝土-岩石粘结强度的影响

7 d和28 d 龄期高地温干热环境喷射混凝土-岩石粘结强度如图2 所示。7 d和28 d龄期高地温湿热环境喷射混凝土-岩石粘结强度如图3 所示。

图2 不同龄期干热环境喷射混凝土粘结强度对比

图2所示表明，高地温干热环境下，喷射混凝土与岩石粘结强度严重倒缩，甚至喷射混凝土与岩石脱粘开裂。图3 所示表明，高地温湿热环境下，35 ℃温度相对不高，对粘结强度来说还算不上热害，反而由于其较高的水化速度，促使其在研究龄期内比标准养护（20 ℃）的粘结强度更高些。在更高温度情况下，特别是70 ℃情况，喷射混凝土与岩石的粘结强度出现了倒缩加剧的结果，热害对粘结强度的不利影响通过试验研究和分析已经充分体现。科研反哺教学的内容：①混凝土的养护方式；②混凝土养护目的；③养护条件对水泥水化及对混凝土强度发展的影响。

图3 不同龄期湿热环境喷射混凝土粘结强度对比

1.4 喷射混凝土-岩石粘结强度改善试验研究

热害环境喷射混凝土改善试验以最不利工况70℃干热环境和70 ℃湿热环境开展探索研究。改善性试验探索角度：①通过掺加矿物掺合料后，水泥用量减少，水化放热降低，温度升高减缓，温度引起的变形减小。另外，水化温度降低，水泥水化速度减小，也使水泥的水化更加充分，扩散容易，水化产物外壳不易形成，早后期强度均衡；②希望通过掺加纤维材料，抑制收缩，增加混凝土密实性和质量稳定性，减小混凝土因各种原因引起的开裂可能。基于以上两个方面的思考，进行粘结强度改善试验，所设计工况及符号说明见表1。干热环境和湿热环境下喷射混凝土-岩石粘结强度结果如图4 所示。

表1 试验设计工况及说明

图4（a）所示表明，干热环境下，掺加矿物掺合料措施不可行，尽管矿物掺合料代替部分水泥，减小水化热，但是远难以弥补由于其早期水化速度慢，干热环境失水过快导致的粘结强度发展很慢或停滞。而掺加钢纤维后，混凝土在高温下更快地达到内部温度的均匀一致，从而减少温度梯度产生的内部应力，减少内部损伤。同时，借助钢纤维界面上的黏着力、摩阻力、机械咬合力，阻止或阻滞原有裂缝的开展，显著改善了界面性能，提高了粘结强度。掺加聚丙烯纤维原则上可以发挥类似钢纤维增强界面的作用，但是试验结果表明，不仅没能改善反而粘结强度降低了，主要由于70 ℃干热环境下，聚丙烯纤维材料失去应有的韧性，甚至长期处于这种环境下，会发生老化。

图4 不同环境下不同配合比粘结强度对比

图4（b）所示表明单掺钢纤维、聚丙烯纤维或双掺纤维对湿热环境下粘结强度没有改善，反而略有降低。掺加25%矿粉或25%粉煤灰改善效果较明显，粘结强度分别提高了17.7%和28.4%。但是，值得注意的是，双掺矿物掺合料（25% SP ＋20% FA）粘结强度基本没有变化，没能发挥改善的作用。综合分析认为：掺加粉煤灰或矿粉后水泥用量减少，水化放热降低，温度升高减缓，温度引起的变形减小。另外，水化温度降低，水泥水化速度减小，也使水泥的水化更加充分，扩散容易，水化产物外壳不易形成，早后期强度均衡，也就是说减小了高温早期养护效用，所以粘结强度得到改善。但如果掺加过多的掺合料的话，水化速度慢，早期强度低，对界面的发展反而不利。

科研反哺教学的内容：①活性混合材料的概念及常用的活性混合材料；②掺加混合材的水泥的水化特点；③活性混合材料（或矿物掺合料）对水泥基材料水化性能的影响；④混凝土中常用的纤维材料及掺加纤维材料的作用和目的。

2 科研反哺教学对应归纳及推广实施

2.1 对应章节及知识点

以我校土木工程材料课堂教学所使用的教材《建筑材料（3 版）》（西南交通大学出版社）为素材，把科研成果及创新试验研究结果反哺课堂教学对应知识点进行梳理，如表2 所示。

表2 反哺课堂教学章节及知识点

从表2 可见，创新试验研究成果都可以和课程章节具体知识点相对应，这种对应可以让学生很清晰地建立知识架构，建立理论知识在实际工程中的应用方向和途径，可以大幅度提高学习乐趣和积极性，而且理解的深度也更加透彻。根据表2 所示的科研反哺，可以促使学生理解并深入思考重要启发性问题：①养护温度和湿度对于水泥或混凝土的水化进程有什么影响？进一步如何影响混凝土强度的发展？②为何实际工程中现在越来越多地掺加矿物掺合料？它对混凝土性能的影响怎么样？③纤维增强混凝土应用广泛，混凝土中常用的纤维有哪些？不同纤维在混凝土中发挥怎样作用？对应用环境条件有何要求？

通过科研反哺的方式，最大程度实现科研和教学的完美融合，及时有效地把科研成果应用于教学中。

2.2 推广和实施

上述案例仅仅是一项科研项目中部分科研成果及创新型试验的体现，已经反哺到教学环节中多个知识点。高校教师工作特点是科研和教学并重，承担着多项国家自然科学基金、国家重点研发项目、中国铁路总公司科技计划项目、省科技计划项目等重大课题，每一项课题的研究，无论是基础研究还是应用研究，都是服务于解决实际工程问题，因此都可以进行总结和梳理，对应具体的知识点，反哺教学。

高校各课程都应该加强科研反哺教学，真正的把科研成果及创新型试验融入教学中，实现科研成果价值最充分的展现，也实现教学效果的全面提高。建议实施方式可以由课程负责人组织教学改革会议，宣贯科研反哺的意义，组织课程各位任课教师收集和整理自己已经完成和正在执行的科研项目，并结合教材梳理科研成果对应的知识点，并详细分析通过对应每一条反哺学生能够获得的启发、心得和收获。然后，对所有的科研反哺以对应知识点为线进行分项汇总，并建立电子存档库，教学团队对汇总资料进行学习，整理授课思路，根据课堂教学情况科学选择并合理利用，充分体现科研寓于教学，紧密联系实际，提高教学活力。