土木工程材料課程試驗是熟悉國家技術標準，驗證和鞏固所學理論知識，培養學生動手和創新能力的重要環節。下面是土木工程試驗論文，爲大家提供參考。
摘要：以水泥混凝土抗滲試驗爲例，針對傳統水泥混凝土抗滲試驗過程複雜、試件密封困難、試驗成功率不高、試驗結果誤差大等問題，在保持現有抗滲儀的試驗機理基本不變的前提下，通過不斷改進和總結，優化創新傳統水泥混凝土抗滲試驗儀及其試驗操作，首次提出通過適當增大混凝土試件尺寸、增加內部預埋引壓管等關鍵措施，直觀察看滲水路徑，提高抗滲試驗的成功率。研究成果爲土木工程材料課程及其它土木工程課程試與創新提供了參考，值得土木工程材料課程和其它課程教學借鑑；同時將爲修改和逐步完善現行規範提供技術支撐，爲土木工程中抗滲結構帶來社會和經濟效益。
關鍵詞：土木工程材料課程；試驗；新型抗滲儀；創新
土木工程材料課程作爲高等院校“大土木”環境下土木工程、房屋建築工程、道路工程、橋樑工程等專業的必修課、基礎課及專業課，在整個土木工程教學體系中起着承上啓下的作用[1]。其課程特點實踐性強、知識體系分散[2]；內容繁雜、學時相對偏少[3]。尤其是土木工程材料試驗，它在培養學生實踐能力和創新能力方面有舉足輕重的作用[4-5]，既能增加學生動手操作的機會，加深課堂分散知識體系印象，充分理解理論與實踐的區別和聯繫，熟悉試驗的目的和意義，又能激發學生的創新能力和科研興趣。
傳統土木工程材料試驗教學方法是教師在課堂上講，學生按照教師的指令一步一步地操作，試驗結束後撰寫並提交試驗報告[6]。學生雖動手做了試驗，但獨立思考不夠，積極主動性發揮不出來，不利於培養學生的動手能力和創新能力[7]。教師必須創新思路，以學生爲主體，充分調動學生的積極性和主動性，使學生理解土木工程材料學科的基本思維方法，掌握分析手段，提高試驗技能和綜合能力[8]。科技創新分爲原始創新和跟蹤創新兩種，技術上的屬於技術創新，學術上的是知識創新，建設上的是工程創新[9-11]。不少高校教學計劃中土
木工程材料課程理論學時較多，試驗學時相對偏少，如何在有限的學時下合理安排試驗內容，最大限度地提高學生的動手能力和創新能力，值得思考。文章以水泥混凝土抗滲試驗爲例，針對現有水泥混凝土抗滲儀的缺點，提出新型水泥混凝土抗滲儀試驗機理，通過相應的試驗研究和理論分析，重點闡述了土木工程材料課程試驗與創新。
一、研究背景
抗滲混凝土廣泛使用在水工、水下、水中、地下和其它有抗滲要求的土木工程中（如大壩混凝土、隧道支護混凝土，等等）。根據規範GB―T50082―2009《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》，採用HP-4.0抗滲儀進行水泥混凝土抗滲試驗，這一傳統方法沿用至今。長期實踐表明：傳統方法檢測混凝土抗滲性能實現難度大，耗時長，成功率不高。如何準確判定水泥混凝土抗滲性能仍是一大難題，也成爲了試驗檢測儀器設備、手段及相應理論滯後於工程應用。
目前國內外對於混凝土抗滲性能的研究有多種試驗方法，其中以傳統水壓力試驗法爲主，分爲穩定流動法（constant flow method）、滲透深度法（depth of penetration method）和抗滲標號法[12-13]。ri and vivatnanon 在研究中建立了穩定流動法與滲透深度法之間的'聯繫，給出了兩種研究方法的選擇標準。究竟採用哪種試驗方法，取決於混凝土的28d抗壓強度F28C與齡期T之間的關係：
2.3（T）2+1.1（F28c）2>10 400時，採用滲透深度法；
2.3（T）2+1.1（F28c）2<10 400時，採用穩定流動法。
中國試驗方法現行標準中採用抗滲標號法，即採用現有抗滲儀進行抗滲試驗。該方法是滲透深度法的一種特例，特點是比穩定流動法和滲透深度法簡單，適用於工程，但對於科學研究，該方法的研究數據太少[12]。中國現有抗滲試驗規範頒佈超過20年，存在諸多弊端。在大衆創新時代，土木工程專業本科教學需與時俱進，土木工程材料課程如何試驗與創新是相關教師和學生的新課題。新型水泥混凝土抗滲儀的研製及其試驗研究項目，試圖採用獨特思維和技術路線來詮釋創新。
二、現有抗滲儀及其試驗機理
（一）現有抗滲儀概況
按照規範[14]現有抗滲儀由套模（又稱“機架試模”）6個、檯面、支架、加壓系統、儲水罐和壓力控制系統等組成，利用密閉容器內壓強處處相等的原理進行工作，如圖1。
（二）現有抗滲儀試驗機理
按照規範[15]現有抗滲儀試驗機理爲：抗滲試件以6個爲一組（直徑和高度均爲150 mm的圓柱體試件），試件成型後24 h拆模，一般標準養護至28 d齡期進行抗滲試驗。試件養護至試驗前一天取出，表面晾乾後在其側面塗一層熔化的密封材料（一般爲工業石蠟），隨即將試件壓入經烘箱預熱過的試件套中，稍微冷卻後即可解除壓力，連同試件套裝在抗滲儀上進行試驗，如圖2。
試驗從水壓爲0.1 MPa開始，以後每隔8 h增加水壓0.1 MPa，並且隨時觀察試件端面的滲水情況。當6個試件中有3個試件端面呈現滲水現象時，即可停止試驗，記錄當時的水壓。試驗過程中，如發現水從試件周邊（試件與機架試模之間的密封帶）滲出，則應停止試驗，重新密封。混凝土的抗滲標號以每組6個試件出現滲水時的最大壓力計算。
（三）現有抗滲儀及抗滲試驗弊端
現有抗滲儀檢測混凝土抗滲性能的實現難度大、耗時長、成功率不高。具體而言，主要問題有以下幾個方面的問題。
（1）試驗程序複雜，密封困難。預製混凝土試件壓入機架試模後，需進行密封，密封之前需要將混凝土試件、機架試模等預熱，將工業石蠟加熱至50～60℃熔化成液態，再將其滴入混凝土試件和機架試模中間的空隙區域，試圖讓石蠟冷卻凝固後密封空隙，該程序大大增加了時間和資金成本。 （2）試驗結果誤差大。不能保證試件與機架試模之間完全密封，致使試驗時壓力水可能從試件與機架試模之間的密封區域空隙滲出。事實上，在試模中製作水泥混凝土的試件還需經過適當加熱試件、工業石蠟等環節，謹慎操作也難以保證絕對成功。水泥混凝土抗滲試模，如圖3。
（3）觀察滲水路徑比較困難（試驗時不排除水直接沿密封帶上升至試件頂面，或從薄弱混凝土層滲透至試件表面的虛假滲透現象）。大多數情況僅僅從試件端面觀察滲水情況。有時需將試件從機架試模中取出，用壓力機將試件均勻劈成兩半之後才能^察壓力水的滲透路徑，操作難度大。加壓滲水試驗時，理想密封狀態，如圖4（1）；密封失效時，滲水沿着密封區域滲漏，如圖4（2）；部分密封失效，滲水通過密封通道在端部沿着混凝土薄弱區域滲水，如圖4（3）。
三、新型水泥混凝土研製及其試驗原理
（一）新型水泥混凝土抗滲儀研製思路
基於現有水泥混凝土抗滲儀的種種弊端，新型抗滲儀擬取消機架試模，省略密封環節，以方便觀察滲水路徑。
怎麼樣實現比較大膽而創新的設想？結合土木工程材料本科課程、現有抗滲儀的機理，課題組成員進行了長期構思並多次繪製草圖，經過不斷修改、完善，擬定在基本不改變現有水泥混凝土抗滲儀及試驗機理的前提下，適當調整混凝土試件尺寸，在其中心部位預埋引壓管，採用上下顛倒的方式將混凝土試件插入試驗檯中。
（二）新型水泥混凝土抗滲儀試驗流程
具體流程爲：製造擴大頭和預埋引壓管；用螺栓組裝擴大頭和預埋引壓管，如圖5（1）、5（2）；將組裝後的預埋引壓管和混凝土試模上的鋼片螺栓連接，如圖5（3）；澆築混凝土（預埋引壓管直接澆築在混凝土中）；養護28 d後將試件上下顛倒安裝在試驗檯桌上；灌水加壓；觀察滲水路徑。其中，擴大頭上口爲直徑60 mm、高20 mm的喇叭口，下口與預埋引壓管同徑。上口擴大到60 mm目的是增加壓力水滲透面積，高度20 mm目的是在澆築混凝土之間澆築一層同配比水泥砂漿作爲臨時模板，防止澆築混凝土時水泥漿進入預埋引壓管，如圖5（4）；灌水加壓前將預留水管與預埋引壓管接通，加壓後壓力水將從預埋引壓管的擴大頭滲透，從而可以任意從混凝土的上端面、側面薄弱的地點滲透出來，如圖5（5）。
（三）新型水泥混凝土抗滲儀試驗機理
新型混凝土抗滲儀加壓後，壓力水自擴大頭開始，從混凝土中任意薄弱環節滲透，直至流出混凝土上端面或側面中的任意麪；因預埋引壓管和混凝土已牢固澆築，緊密連接，壓力水不會從引壓管和混凝土之間的空隙滲透。
新型抗滲儀擬採用試件直徑和高均爲300 mm的圓柱體，從擴大頭到混凝土的任意表面的距離最短爲150 mm，基本滿足規範[15]對最短滲水路徑150 mm的要求。實際工作中水泥混凝土結構層抗滲相對於抗滲試件來講是無限大的，客觀上將試件尺寸從150 mm加大到300 mm與實際工程更爲接近。試驗效果有待於後續研究工作的進展及成果評定。
新型抗滲儀取消機架試模，可從混凝土上端面和側面輕鬆觀察滲水路徑，能夠實現除底面外的全方位、多角度觀測滲水路徑。
四、大學生創新訓練計劃項目申報
基於該項目的獨特創意，項目經過小組評審、學院評審，在校級和省級層層篩選下，脫穎而出。目前已經獲批四川農業大學大學生創新訓練計劃項目和四川省大學生創新訓練計劃項目，項目的獲批爲後續研製提供了重要平臺和條件。
（一）項目技術路線
（二）項目進展及後續工作
目前項目進展：完成了實用新型（專利申請號201610223488.3）和發明專利（專利申請號201620299957.5）申請，與北京藍航智晟試驗儀器有限公司簽訂生產新型水泥混凝土抗滲儀的合作協議。四川農業大學土木工程學院制定了採購新型抗滲儀計劃，新型水泥混凝土抗滲儀預計在2016年底投入試驗。
後續研究工作：待樣機生產製造成功，按照計劃進行新型和現有水泥混凝土抗滲儀對比試驗，（擬採用在建的國道G213線汶川縣境內映秀至汶川的福堂隧道二次襯砌C30抗滲混凝土，隨機抽樣各不少於50組；現有抗滲儀1組6個試件，新型抗滲儀1組3個試件）。後續將對抗滲機理進行理論分析，利用Pfc等軟件進行數值模擬，研究二者的相似性、差異性及新型抗滲儀的可行性。把試驗的重點放在新型抗滲儀的可操作性上，把分析的重點放在新型抗滲儀的可行性上。
（三）項目的特色與創新
從技術創新方面來看，無需密封，能順暢觀察滲水路徑，試驗簡單方便；預埋引壓管，壓力水從混凝土試件中部向四周薄弱區域自由滲透，滿足現有規範要求的現有抗滲儀基本尺寸150 mm；取消機架試模，無四周側限附加壓力限制。
從方法創新方面來看，擬進行新型和現有抗滲儀的對比試驗，採用理論公式計算、數值模擬等理論分析方法，多角度多方法論證新型水泥混凝土抗滲儀的可行性。
五、討論
教師和學生應熟悉土木工程材料課程及其試驗基本內容，達到融會貫通。熟悉土木工程材料規範、標準，充分了解規範的本質及缺陷，是研製新型抗滲儀、進行創新思維的前提條件。
從一個普通抗滲試驗入手思考現有抗滲儀的侷限，聯想到研製新型抗滲儀。這種修改和聯想創新，遠比某一具體試驗及試驗儀器本身重要得多，也是重要發明創造的基礎。
六、結語
如何搞好土木工程材料課程試驗、如何創新，是學者們長期研究和探討的課題。水泥混凝土抗滲試驗儀創新研製，得出如下結論。
（1）土木工程材料課程試驗大多是常規試驗，通過現有水泥混凝土抗滲儀及相應試驗發現弊端，開啓教師和學生改進思路，進而激發創新興趣。
（2）新型水泥混凝土抗滲儀研製一波三折，但思路新穎，克服了現有抗滲儀密封困難、易從密封區域滲水、不易成功等缺點，通過在混凝土試件內部預埋引壓管、取消機架試模等改進措施觀察滲水路徑更直觀，試驗更簡單。 （3）現有和新型水泥混凝土抗滲儀後續對比試驗（擬對比二者試驗流程、滲水路徑、試驗結果吻合度）有序開展，理論分析思路明確，技術路線方案可行，研究結果值得期待。
（4）擬通過公式計算、數值分析等理論分析論證現有與新型抗滲儀試驗的抗滲機理，完善新型抗滲儀試驗的理論基礎。
新型抗滲儀研製及其試驗研究，研製思路和技術路線值得延伸和推廣，值得土木工程材料課程及其它課程新型試驗儀的研製及改進借鑑，也爲土木工程其它專業課程的創新提供了有益參考。
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