李福海 吴昊南 姜怡林 王江山 胡丁涵 占玉林
摘要：以聚丙烯纤维增强混凝土梁（PP-ECC梁）抗弯性能科研课题为依托，结合建筑材料中混凝土梁实验教学，分析了RC梁及PP-ECC梁在裂缝形态、宽度、变形情况及其承载力等方面的性能差异，对采用新型材料开展梁结构抗弯实验的新方法和新思路进行了总结，提出了将科研课题、工程实践与实验融为一体的梁式结构实验教学模式创新改革。该模式作为传统教学的优化和补充，可为其他课程实验教学革新提供思路，有利于激发学生的实验兴趣，培养其使用软件处理实验数据并分析实验结果的科研能力，以及理论与工程应用相结合的综合能力。
关键词：ECC梁;实验教学;科研课题;教学改革;抗弯性能实验
中图分类号：TU502-4 文献标志码：A 文章编号：1005-2909（2021）02-0146-08
不断发展的国内外经济形势对工科人才提出了新要求，如“一带一路”倡议的推进、高速铁路建设的迅速发展等，要求土木工程人才急需掌握更全面的技能以解决工程实际问题[1]。近年来，我国工程项目逐渐走向国际舞台，海外项目的数量和规模发展迅速，新形势对工程人才提出了新要求。首先，在较为陌生的建设及社会环境中，学生灵活运用专业知识并结合当地条件解决工程问题的实践能力是新要求的重中之重;其次，作为海外项目的设计者和建造者，专业理论水平必须过硬，生搬硬套无法解決新环境中的新问题。为此，实验教学必须适应新形势，迎接新挑战。
建筑材料是土木工程的基础课程，可培养学生的理论和实践能力。目前，高校建筑材料实验教学存在的不足导致土木工程专业学生的动手能力较弱。实验教学内容陈旧、验证性实验过多、实验学时少、教学方式单一、实验管理落后等[2-3]使得学生缺乏兴趣，浪费了宝贵的实践学习机会。
从实验内容本身入手能一定程度缓解上述问题，使教学效果得以保证。针对目前建筑材料实验教学现状，以PP-ECC梁抗弯性能科研课题为例，对建筑材料实验教学中新型材料梁结构抗弯试验的新思路进行了总结和思考，以期探索我国高校建筑材料实验教学的新方法和新模式。
一、钢筋混凝土梁实验教学
（一）钢筋混凝土梁实验
1.材料
水泥、砂、石、粉煤灰、聚羧酸减水剂、钢筋及若干应变片。
2.实验内容
各组分别制备1100*100*120 mm钢筋混凝土梁，包括钢筋绑扎、混凝土搅拌浇筑、钢筋及混凝土应变测点制作、养护、混凝土及钢筋力学性能试验，这些工作由相关的技术工人配合完成。学生对待检测的钢筋混凝土梁进行分析计算，得到实验荷载及关键部位的内力及变形计算值，根据计算结果设计实验加载及测量方案并完成整个实验，观察试件裂缝，了解钢筋混凝土梁全过程受力行为。实验完成后整理实验结果，并将实验结果与理论计算值进行比较，评定该梁是否达到设计要求。
（二）钢筋混凝土梁实验教学的不足
1.实验内容较为滞后
该实验中钢筋混凝土梁制备用水泥、砂石、钢筋等传统材料，没有添加纤维等新材料。目前，各类工程项目广泛应用新材料、新技术、新工艺，传统材料正逐渐减少或被取代，但这些变化在实验教学中较少体现，在实验教材中也未能及时更新材料的技术标准、质量控制和检测标准、设计规范[4]。实验内容相对滞后，验证性实验较多，会使学生的好奇心减弱、兴趣降低，不利于培养学生独立思考能力。
2.教学方式陈旧
传统教学实验采用教师讲解的方式，实验开始前，教师讲解实验内容、目的、原理、仪器、步骤及注意事项，然后学生操作实验，记录原始实验数据，实验结束后编写实验报告[5]。这种教学方式学生虽然可以了解整个实验过程、巩固课堂所学的理论知识，但积极性不高，学习较为被动，依赖性强，能力得不到提升。
3.实验内容缺乏工程性
实验内容以验证材料性质为主，缺乏创新性和应用性，学生兴趣不浓。此外，实验大多注重材料的特点、基本性能，缺乏与科研课题和工程案例之间的联系，不利于快速提升学生的实践能力和灵活运用所学知识的能力[6]。
4.考核方式单一
国内大多数高校实验考核方式主要以提交实验报告的形式来评判和考核实验内容[7]。实验报告由于形式、结果类似，容易出现抄袭现象，教师不能根据实验报告合理评价学生的真实学习情况。整个考核过程忽略了学生在实验中的表现，打击了学生的主动性与积极性[4]。
二、PP-ECC科研项目精选实验课题
普通混凝土抗拉强度低、韧性差，常与钢筋组合形成构件应用，在极端情况下容易发生脆性破坏。由于荷载长期作用或外界环境等原因，构件的裂缝宽度通常难以控制。高延性水泥基复合材料（Engineered Cementitious Composites，简称“ECC”）是一种高韧性并具有应变硬化特性的新型材料[8-9]。通常掺加纤维以提高其抗拉强度和韧性，但纤维的体积分数通常不超过2%。ECC受拉时，其中的纤维能产生桥联应力[10]，由于纤维和基体之间存在粘结力，纤维能代替混凝土承受部分拉应力，以此提高构件的承载能力和延性。其极限拉应变约为普通混凝土的300～500倍，可达3%～7%，而普通混凝土在开裂时的极限拉应变仅为0.02%[11]。此外，ECC材料的裂缝宽度通常控制在100 μm以内[12-16]，且裂缝数量较多。文中以PP-ECC作为新材料制作试验梁，让学生在教师的指导下研究PP-ECC梁的抗弯性能，以此改善钢筋混凝土梁实验教学的不足，锻炼和培养学生的动手能力。
三、PP-ECC梁抗弯性能实验
（一）原材料
实验中PP-ECC复合材料主要的成分为粉煤灰、水泥、水和 PP 纤维， PP 纤维的体积掺量为2%;普通混凝土的主要成分为砂子、石子、水泥、粉煤灰和聚羧酸减水剂。
（二）材料性能
参考《普通混凝土力学性能实验方法标准》[17]和《混凝土结构实验方法标准》[18]，以立方体抗压强度和棱柱体抗压强度作为C30混凝土和PP-ECC材料的基本抗压力学性能指标，立方体抗压实验使用100 mm×100 mm×100 mm试件，棱柱体抗压实验使用100 mm×100 mm×300 mm试件，每组实验设置3个试件。以初裂抗拉强度和极限抗拉强度作为PP-ECC材料的基本拉伸力學性能指标，制作6根PP-ECC小板试件，对小板试件进行单轴拉伸试验。
（三）试件参数及实验方法
1.试件参数
此次实验使用4根试件，包括2根钢筋混凝土梁和2根PP-ECC梁，试件尺寸及配筋图如图1。
2.实验方法及方案设计
使用微机控制电子万能实验机对试件跨中进行四点弯曲加载，具体加载装置如图2，加载如下。
（1）预加载：
检查实验设备及装置是否安设完成，并能正常使用，加载值不超过理论开裂荷载的0.7倍。
（2）正式加载：以2 kN为差级进行等差加载，每次加载结束后持荷5～8 min，记录试件各位置变形发展、裂缝数量、裂缝宽度及裂缝延伸高度的变化情况，并在试件上做标识，记录完毕后继续加载，直至试验梁破坏。
通过亲自制备梁构件，学生体验试件制作的全过程，掌握材料特性及仪器使用方法，学生主观能动性得到充分发挥。在教师的指导下设计实验方案，能够加强师生互动，培养学生主动思考和创新的意识。学生全过程参与实验，更清楚地认识试件的破坏形态、受力机理，巩固专业理论知识，加深对实验的记忆，培养了学生的实践动手能力和良好的实验素养[20]。
（四）工程实践
教师在课程中播放ECC工程应用案例，有针对性地讲解，并与普通混凝土进行对比。通过展示不同工程中所遇到的问题，让学生分小组进行分析讨论，思考解决办法。ECC因其优异的力学和耐久性能，普遍应用于路面铺设、桥面连接板及桥面板、结构抗震及修补等工程中。
（1）路面铺设。水泥路面硬度大，在断裂后较难清除，不易修复，而PP-ECC不会出现断裂、露骨料等现象，且抗压、抗折强度均高于路用混凝土，路面耐久性强。PP-ECC路面平整度好、抗疲劳性能好，广泛用于路面铺设工程中，如彰武县农村路面铺设、辽阳市四马煤矿试验路段铺设等。
（2）桥面连接板及桥面板。ECC相比普通混凝土具有多裂缝开裂和拉伸应变能力强的特点，能够满足桥面连接板柔性变形和控制裂缝开展的性能要求。对于桥面板，采用ECC能够减轻桥梁自重，提高桥梁使用寿命。国外已将ECC用于大量桥梁建设中，如日本Mihara大桥和美国密歇根州94号高速公路桥面连接板。
（3）结构抗震及修补。ECC具有较好的韧性和耗能能力，适用于有抗震要求的结构。ECC也可用于修补桥梁面板、路面、大坝表面裂纹等。如利用ECC对沈丹高速四台子大桥伸缩缝进行快速修补、喷射ECC对日本Mitaka水坝的裂缝进行修复等。
在实验和教学过程中，通过播放施工视频、讲解工程案例，让学生了解新型材料的优势及应用领域，开阔学生的工程视野，增强教学的实践性与应用性。同时，提高学生的学习兴趣，吸引学生的注意力，达到师生互动的课堂教学效果。学生通过分析工程问题、思考解决方法，使其思维能力和解决实际工程问题的能力得到快速提升。
四、PP-ECC梁抗弯性能实验结果的教学分析
（一）裂缝发展分析
1.裂缝发展形态
图3表示试件侧面的裂缝分布状态。由图3可知，对于配筋率相同的PP-ECC梁和RC梁，在达到极限状态时PP-ECC梁侧面产生的裂缝数量远多于RC梁，裂缝基本对称分布，且裂缝缝隙较小，呈现出多条细微裂缝的破坏模式。
2.裂缝数量及宽度发展
记录不同级别荷载下各试件的裂缝数量和主裂缝宽度的发展情况，绘制荷载-裂缝数量关系图和荷载-主裂缝宽度发展图，如图4和图5。
从图4可以看出，加载过程中PP-ECC梁和RC梁的裂缝数量变化呈现出不同的发展状态，且相同配筋率下的PP-ECC梁产生的裂缝数量最终远多于RC梁的裂缝数量。
如图5所示，随着荷载级别的增加，RC梁和PP-ECC梁主裂缝宽度均不断增大，但是PP-ECC梁主裂缝宽度明显低于相同配筋率的RC梁主裂缝宽度，满足规范要求[19]，并且主裂缝在发展过程中不存在较为明显的突变点，整体呈现出近线性发展规律。
通过对裂缝的观察与分析，培养学生对实验现象的对比分析和理解能力[21]，增强学生的主观能动性，加强学生对实验的理解。学生通过查阅资料、回顾课堂所学知识、相互讨论，找出PP-ECC梁与RC梁
裂缝数量、裂缝宽度呈现出不同发展规律的原因，加深对理论知识的理解，提高其独立思考、分析、解决问题的能力。实验以PP-ECC作为新材料制作试验梁，将传统材料与新型材料相结合，不仅可以激发学生的学习兴趣和积极性[4]，而且还可以锻炼其使用软件处理实验数据和分析实验结果的能力。
（二）延性分析
延性是指结构或构件在达到极限承载力后，抵抗其变形的能力[22]，是评价结构安全性的重要指标。学生通过计算得出位移延性系数，对比分析各试件的延性性能可知，在配筋率相同的情况下，PP-ECC梁弯曲延性高于RC梁，学生自主讨论，分析其原因。教师总结并指出其用于结构抗震所呈现出的优势，通过多媒体向学生展示工程案例，如：日本东京Glorio Roppongi高层公寓楼中采用ECC连梁连接每层的核心墙，提高高层建筑物的抗震能力。
各组学生在整理分析、计算、对比的过程中潜能被充分挖掘，其团结协作精神明显增强，逻辑分析和独立思考能力显著提升[20]。此外，各小组独立分析实验结果，有助于学生养成认真严谨、刻苦钻研的学习习惯，为将来从事科研和相关工作奠定良好的基础。
（三）承载力分析
从表1可知，PP-ECC梁的开裂荷载、极限荷载与承载力较RC梁有一定程度的提高。
通过一系列观察与原因分析，锻炼了学生解决问题的能力，同时提高了学生的辩证思维能力、综合分析能力和知识运用能力[23]。在实验过程中，学生相互交流探讨，积极性高，口头表达能力明显增强。
五、实验分析与教学探索
该实验歷经材料制作、基本力学实验、实验方案制作、实验准备、抗弯试验、数据分析、原因分析、结论整理等多个环节，逻辑清晰，体系完整，结论可靠，对于开展相同类型实验有一定的参考价值。
该实验将科研课题与实验教学相结合，注重引导学生自主设计并完成整个实验[21]，从多方面锻炼了学生的动手能力和理论分析能力。
（1）课题中基体材料及配筋率是重要变量，对ECC实验梁的性能影响较大。学生前期可查阅资料，在教师的指导下见证不同基体材料及配筋率对各项参数的影响，了解实验方案各步骤的具体操作及实验目的。通过这种方式代替原先固定配合比混凝土的验证性实验，可以激发学生的好奇心，培养资料收集和独立思考能力。
（2）学生通过亲自参与PP-ECC梁试件和RC梁试件的制作过程，了解新材料和普通混凝土在制备上的差异，熟悉实验操作过程，实现与课本知识的融会贯通。实际操作梁的弯曲加载，可使学生掌握试验机的使用方法，了解观测裂缝的方法、注意细节，以及梁挠度的测量方法，在锻炼学生实践能力的同时丰富其实验经验，为日后从事工程实践或科学研究奠定基础[24-25]。
（3）结果处理和分析包括对试验梁裂缝形态的描述和绘制、裂缝数量及宽度发展情况分析、梁的变形发展分析、延性分析及承载力分析。以上分析过程，尤其是与裂缝、变形和延性相关的指标，学生在常规实验教学中均难以接触，与较为常见的坍落度、强度等指标相比较为灵活，具有较强的逻辑性。根据不同的教学安排，实际实施过程中可选择一个或几个指标供学生分析，并尝试总结实验现象，得出实验结论。如此培养学生的数据分析能力、逻辑思维以及理论与实践相结合的能力。
（4）实验考核要将学生平时在实验中的表现、实验报告和期末实验考核相结合。平时表现包括出勤率、实验操作、课堂回答问题以及实验室清洁整理。多样化的考核方式可以提高学生对实验课程的重视程度，端正学习态度，养成良好的学习习惯。
（5）由实验结果可得，PP-ECC梁相比RC梁，裂缝控制及延性更好，抗弯承载力略有提高。通过实验可以更具体地向学生展示新材料与常规材料的性能差异，开拓学生思路，培养与时俱进的新工科思维。
（6）将实验与科研课题、工程案例相结合的教学方式，能有效激发学生的学习兴趣，培养学生深入思考问题的习惯，为今后从事科研或走上工作岗位打好基础。此外，引入广受关注的工程案例，说明材料的特性及实验方法与作用， 如：分析工程事故案例，从建筑材料的质量、结构之间的关联，说明如何进行前期质量控制、后期质量实验检测等，拓宽学生的眼界，增加师生间的互动，培养学生的应用能力[26]。
（7）实验室面向学生开放，各小组学生利用课余时间走进实验室，按照与教师共同协商制定的实验方案，主动思考、自由分配任务，自主在课下完成实验。这样不仅保证了学生的主体地位、培养了学生的团队合作精神，还弥补了实验课时较少的缺陷[6]。
在此次实验中，学生通过参与项目，进行实验设计、操作及结果分析，使其动手能力、创新能力和解决工程实际问题的能力得以提升，同时具备了基本的科研素养、能力和自主探索意识，为查阅文献、分析数据、撰写论文等奠定了基础。与此同时，通过引入工程实际项目，将原本抽象、分散的理论知识通过实践串联起来，提高了学生的感性认识，加深了对实践环节的了解，进而巩固了相关专业知识，在头脑中初步建立了较为完备的知识体系，实现了“知识内化”。
六、结语
依托科研课题，以传统重要实验为基础，采用“引入-组合-开放”的方法进行优化，以PP-ECC梁抗弯性能实验为例，对新材料用于梁式结构的抗弯实验教学模式进行了拓展探索，
将科研课题、工程实践与实验融为一体的实验教学模式，能调动学生的主动性，提高参与度，学生由被动接受者转变为主动学习者。与传统实验相比，该模式
更加注重培养学生解决工程问题的实践能力和独立思考能力，让学生初步形成了独具个性特色的科学思维方式。此外，该模式也为其他课程实验教学革新提供了思路，具有较好的现实意义和推广价值。参考文献：
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Exploration on the teaching of bending resistance experiment
of beam based on new materials
LI Fuhai， WU Haonan， JIANG Yilin， WANG Jiangshan， HU Dinghan ， ZHAN Yulin
（School of Civil Engineering， Southwest Jiaotong University， Chengdu 610031，P. R. China）
Abstract：
Based on the research project， taking the bending resistance of PP-ECC beam as an example， and combined with the experimental teaching of concrete beams in building materials， this paper analyzes the differences of RC beam and PP-ECC beam in crack shape， width， deformation development and bearing capacity， and summarizes and explores the new methods and new ideas of bending experiment of beam structure with new materials. The innovation and reform of beam structure experiment teaching mode， which integrates scientific research， engineering practice and experiment， is put forward. The exploration of this new mode is the optimization and supplement of traditional teaching， which can provide ideas for the innovation of experimental teaching in other courses， and is conducive to stimulating the students interest in experiments， cultivating their ability of using software to process experimental data and analyze experimental results， as well as the comprehensive ability of combining theory with engineering application.
Key words：
ECC beam; experimental teaching; scientific research project; teaching reform; bending resistance experiment
（责任编辑 梁远华）
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