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1、第35卷第1期201 6年1月实验室研究 与 探索RESEAR(：H A、n EXPI。()RATl()、IN LABORAll()R1V0135 NO1Jan 2016基于创新试验培养大学生综合能力刘 清， 高金东， 何原野(新疆大学建筑工程学院，新疆乌鲁木齐830047)摘 要：混凝土配合比设计试验是土木类教学中必不可少的传统实验，忽视了学生实践和创新等综合能力的培养。自密实混凝土作为混凝土的一种新技术，在配合比设计方面与普通混凝土存在较大差别，文章分析了自密实混凝土配合比设计概念，并结合自密实混凝土配合比创新实验项目分析了大学生如何在解决新问题的过程中提高综合能力，总结了创新实验项目的成
2、效和体会。关键词：自密实混凝土；创新实验；综合能力中图分类号：G 6420 文献标志码：A文章编号：10067167(2016)0l一014l一05Cultivation of University StudentsComprehensiveAbility Based on the Innovative TestLIU Qing， GA O findong，HE Yuanye(College of Architectural and Civil Engineering，Xinjiang University，Urumqi 830047，China)Abstract：As an essentia
3、lly traditional experiment in civil major teaching，the mixing proportion design of concreteignores the cultivation of students7comprehensive ability such as practice and innovationAs a new concrete technology，self-compacting concrete has a big difference from ordinary concreteThe paper analyzes the
4、mixing proportion designconcept of self-compacting concrete，and present method to improve college studentscomprehensive ability combinedwith the mixing proportion innovative design of selfcompacting concreteMoreover，the paper summarizes the resultsand experience of innovative experimental projectsKe
5、y words：self-compacting concrete；innovative test；comprehensive ability0 引 言大学生创新性实验是本科生在教师的指导下，自主进行具有一定研究性的学习，提出实验研究的思路及内容、设计与实施实验方案、分析与处理实验数据、撰写学术论文等一系列过程的行为，它对于学生深刻认识理论知识的重要性、培养创新思维与实践能力、增收稿日期：20150l16基金项目：国家自然科学基金资助项目(51368057)；新疆维吾尔自治区区级精品课程资助；国家大学生创新试验计划项目资助(101075525)；国家级大学生创新创业训练计划项目(XJU-SRT一
6、13173)作者简介：刘清(1961一)，男，锡伯族，新疆乌鲁术齐人，硕士，教授，硕士生导师，从事土木工程的教育与科研工作。Tel：13109915981；Email：LiuQin92666163COIll强信心与韧性、锻炼团队合作与交流能力等综合能力的提高具有重要作用。混凝土配合比设计试验是土木类教学中必不可少的材料试验，具有传统实验教学的局限性。自密实混凝土作为一种高性能混凝土，其拌合物具有较为优异的工作性能，配合比设计实验与普通混凝土存在较大差异。基于笔者主持的自密实混凝土方面科研课题，本科生提出自己的想法，在笔者指导下成功申请并完成了2项大学生创新试验项目，本文将结合自密实混凝土配合比
7、创新实验项目进行分析大学生如何在解决一系列新问题的过程中提高实践和创新等综合能力。1 自密实混凝土配合比设计概念自密实混凝土是具有高流动度、不离析、均匀性和稳定性，浇筑时依靠自重流动，无需振捣而达到密实的万方数据142 实 验 室 研 究 与 探 索 第35卷混凝土”。在大学生掌握的知识中，混凝土浇筑后需要进行振捣密实，而自密实混凝土作为一项新技术，了解其概念和特点后，如何实现该技术则能够较好的引起学生的兴趣，激发他们求知的欲望。因此，就必须对自密实混凝土配合比设计的概念具有清晰认识。传统的混凝土设计中仅注重对强度计算(见图1)，对工作性能的控制较为简单。对于自密实混凝土，自密实性能是新拌自密
8、实混凝土最重要的综合性能，属于施工性能，配合比设计必须从体积人手，同时兼顾其强度指标。因此，自密实混凝土配合比的设计分为自密实性能设计和强度设计两部分(见图2)。自密实混凝土的配合比设计并不拘泥于工作性能设计和强度设计的先后顺序，而是注重核心参数指标水粉比和水胶比能满足工作性能和强度等级的要求。确定普通混凝土配制强度计算水胶比Il根据拌合物稠度确l定单位体积用水量和外加剂用量计算胶凝材料用量+根据水胶比和粗骨料粒径确定砂率根据质量法或体积法确定祖骨料用料角定自密实混凝t 确定自密实混凝土自密实性能 配制强度+ +选择单位体积 l计算水灰比和用水量、水粉比 叫理论水泥用量以及粉体用量 + 利用超
9、量取代方法确定单位体积 计算矿物掺合料用量粗骨料用量 和实际水泥用量I确定砉气量l l计算季胶比lI 根据减水剂与胶凝计算单位体积 材料的相容性确定细骨料用量 高效减水剂用量图2 自密实混凝土配合比设计流程在自密实混凝土胶凝材料中常掺用活性矿物掺合料，一方面可以降低自密实混凝土早期水化放热大、减少硬化混凝土收缩、提高其耐久性和体积稳定性；另一方面品种适宜的优质活性矿物掺合料可以和水泥颗粒形成良好级配，降低胶凝材料的需水量，从而改善拌合物的工作性。引。掺用惰性掺合料时可增加粉体含量，抑制水化放热，保证自密实混凝土所需粉体总量。创新实验项目成员通过指导和自主翻阅资料，初步掌握了自密实混凝土配合比的
10、设计，在普通混凝土知识的基础上，加深了对混凝土技术的认识并很好的拓展了视野。2项创新项目主要进行了如下3部分实验：减水剂与水泥、矿物掺合料相容性实验；自密实混凝土配合比正交实验；骨料级配与粒径对自密实混凝土性能影响实验。2 大学生自密实混凝土配合比创新实验21 减水剂与水泥、矿物掺合料相容性实验由于自密实混凝土要求具有较大的流动性、良好的粘聚性，所以需要选择减水率较高、保水性较好的优质高效减水剂。根据聚羧酸系高效减水剂具有掺量低、减水率高、混凝土强度增长快、拌合物坍落度损失小等优点，本实验的外加剂选用聚羧酸系高效减水剂。自密实混凝土拌合物的工作性能取决于水泥浆的工作性能，但随着聚羧酸系减水剂产
11、品的不断增多，其与水泥、矿物掺合料之间的相容性问题也越来越明显，严重影响水泥浆的工作性能“，而新疆地区对外加剂与水泥的相容性研究相对不足。如何保证水泥浆良好的工作性能以及如何为自密实混凝土配合比实验合理选择原材料是项目组成员面临的关键问题。表1 矿物掺合料掺量 cx编号 水泥 粉煤灰 石粉依据混凝土外加剂应用技术规范(GB 501 192003)，项目组成员设计了减水剂与水泥和矿物掺合料之间的相容性实验。选取了新疆地区具有代表性的三种聚羧酸系高效减水剂(R112SD、R114SD、建新Jx一5)，减水剂掺量范围为06095。水泥浆中矿物掺合料掺量见表1，分别测水泥浆0，30，60 min流动度
12、，图3是学生进行水泥浆流动度实验，部分结果见图47。由图4和图5可知，天山水泥与R112SD的相容性较好，与R1 14SD次之，与Jx5较差。由图6和图7可知，当加入石粉掺量等于粉煤灰时，天山水泥与R112SD的相容性较好，与R114SD次之，与Jx-5较差。22 自密实混凝土配合比正交实验影响自密实混凝土性能的主要因素有拌合用水量、矿物掺合料掺量、骨料级配及用量、砂率、外加剂掺m加如，432，万方数据第1期 刘 清，等：基于创新试验培养大学生综合能力 143a)水泥称委外加剂掺加比例司4纯水泥浆0 min流动度060 065 070 075 O80 085 090 095外加剂掺加比例列5纯
13、水泥浆30 min流动度34032()300辩24022020060 065 070 075 080 085 O90 095外加剂掺加比例(h)水j虻嵌It引+ 【t一)水i忙浆J|：r幔J蔓i010jt图3相容性试验过程卅6 20粉煤灰、20石粉水泥浆的0 nlin流动度型蠡避34)32030()806()4020()O060 065 070(J75 080 O85 090 095外加剂掺加比例网7 20粉煤灰、20石粉水泥浆的30 min流动度量、水胶比等，在有限的实验经费以及时间下找出主次因素就成为配合比设计的关键。通过指导，项目组成员学习了正交设计的方法，它是在大量实践的基础上总结出来
14、的一种科学的试验设计方法，它是用一套规格的正交表格，采用均衡分散性、整齐可比性的设计原则，合理安排试验。”J。项目成员以矿物掺合料掺量、水胶比、砂率、外加剂掺量为主要的因素，设计了4因素、3水平(见表2)的自密实混凝土配合比正交试验，以研究各个因素对自密实混凝土的工作性能、力学性能的影响顺序。表2 因素水平表注：c一水泥，f_粉煤灰，S一石粉在工作性能检测中，普通混凝土只进行坍落度试验，而自密实混凝土可采取的方法主要有：坍落扩展度试验、T50、J环试验、L型仪、u型仪、V型漏斗试验等。考虑到现有实验条件，学生最终采用坍落扩展度试验和V型漏斗试验，如图8。各因素对自密实混凝土性能的影响见图912
15、。由图可知：(1)利用乌鲁木齐地区的原材料适合配置本课题需要的自密实混凝土，且最佳配合比为矿物掺合料(60C+20f+20s)+水胶比(030)+砂率(54)+减水剂掺量(10)；(2)利用正交试验的极差分析法得出：矿物掺合料掺量是影响混凝土坍落度、扩展度和V型漏斗时间的最主要因素，水胶比为第二主要因素；水胶比是影响自密实混凝土3 d强度、7 d强度及28 d强度的最主要因素，矿物掺合料掺量为第二主要因素；(3)在复合掺和料中石粉有促进早期强度作用。23粗骨料形状指数与级配对自密实混凝土性能影响实验通过本科阶段土木工程材料课程的学习，项目组成员初步掌握了普通混凝土中粗骨料的相关知识。粗骨料是混
16、凝土的主要组分之一。粗骨料的形状指数万方数据实 验 室 研 究 与 探 索 第35卷矗乱至蜊黑E昌协魁皑b(a)坍落度检测图9 因素的工作性能趋势图莨J(b)扩展度检测 (c)V型漏斗检测图8 正交实验工作性能检测图10 因素的3天强度趋势图冈ll 大I索的7灭强度趋势劁(一批粗骨料的几何形状特征)具有较大差异，颗粒形状决定着堆实的程度，也影响着骨料与水泥石的粘结，进而影响混凝土的强度。此外，骨料的级配也对混凝舟凸-主划骠罔I 2 索的28人强度趋势H土拌合料的工作性能产生很大影响，进而影响混凝土的强度、变形性能等。级配分为连续级配和间断级配，连续级配的颗粒级差小，配制的新拌混合物和易性好，被
17、工程广泛采用；间断级配的颗粒级差大，空隙率的降低比连续级配快的多，可最大限度地发挥骨料的骨架作用，减少水泥用量。而在同强度等级下，单位体积自密实混凝土的粗骨料含量小于普通混凝土。考虑拌合物的钢筋通过性，要求粗骨料的最大粒径也小于普通混凝土。在自密实混凝土配合比设计中如何考虑新疆地区粗骨料形状指数和级配的影响是项目组成员面临的新问题。项目组成员分别进行了粗骨料颗粒级配和粗骨料形状指数对自密实混凝土性能的影响实验，见图13。将粗骨料分为510 mm(大石子)和10一20 mm(小石子)2种级配，选择性调整每组粗骨料中不同级配的比例(大石子：小石子=6：5、5：5和4：6)，得到自密实混凝土性能最佳
18、的大小石子比例，再人为的调整每份粗骨料针片状颗粒和圆滑颗粒的含量，计算3组不同的粗骨料形状指数，得到自密实混凝土性能最佳的粗骨料形状指数。部分实验结果见图1417。(a)石子筛分 (b)调整粗骨料形状颗粒 (c)颗粒最大粒径测定 (d)测定抗压强度图13学生实验过程主要结论：大石子所占比例为50(大石子： 小石子=5：5)时，自密实混凝土的工作性能和力学性万方数据第1期 刘 清，等：基于创新试验培养大学生综合能力 145能均为最好。自密实混凝土工作性能不会随着形状指数的增长而规律性增长。28 d抗压强度随着形状指数增大而减小。E岂型艇寒大石子所占比例图14坍落度与不同比例粗骨料曲线荫山芝蜊戆大
19、石子所占比例图15 28天强度与不同比例粗骨料曲线Eg毯蜓密碍山芝蜊骥形状指数图16坍落度与形状指数曲线形状指数图17 28 d强度与形状指数曲线3创新实验效果近3年，获土木工程大学生已完成国家级大学生创新项目1项(C60自密实混凝土配合比的试验研究)和校级重点项目1项(粗骨料形状指数、级配对自密实混凝土性能影响的实验研究)。其中，国家级大学生创新项目发表1篇学术论文三种聚羧酸系外加剂与水泥及矿物掺合料的相容性对比研究，并且一名成员通过创新实验的锻炼后推免本校研究生，继续参与自密实混凝土方向的研究，期间发表学术论文2篇并在撰写硕士研究生毕业论文冻融循环对新疆地区自密实混凝土的影响研究；校级重点
20、项目完成1篇学术论文粗骨料(卵石)对自密实混凝土性能影响试验研究(已收录)，在结题中被评为优秀，项目主持人即将就读本校研究生。4 结 语通过参与自密实混凝土配合比创新实验，项目成员的科学思维能力、设计能力、实践能力和沟通协调能力等综合能力得到有效地提升，也加深理论知识的理解。同时，自密实混凝土配合比创新实验也将笔者主持的科研项目融入到教学中，有效地解决了进行自密实混凝土科研讲座时学生对科研理解不深刻的现象。由于参与的学生数量有限，不能使大多数学生得到锻炼和提升，应进一步鼓励大学生积极参与创新实验项目，或找到一种科研融入教学的新方式。笔者曾尝试在土木类实验教学中用自密实混凝土配合比实验取代普通混
21、凝土配合比实验，发现也能在一定程度上提高学生的综合能力，该方式具有一定的可行性值得进一步完善。参考文献(References)：1 熊宏齐，戴玉蓉，郯家茂，实验教学改革与实验室建设规划的研究与实践J实验技术与管理，2008(10)：1_4，82 赵希文，李 旦，朱 宁大学生创新性实验计划与高校课程改革J中国大学教学，2008(12)：8103 冯林，张崴“质量工程”视角下的大学生创新性实验计划J实验室研究与探索。2008(6)：2729。4 赵希文，吴菊花，燕杰大学生创新能力训练体系与方法J实验室研究与探索，2010(10)：67-69，845 温喜宝大学生创新性实验计划的开展与研究J实验室研
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