超高性能水泥基材料抗爆设计与分析虚拟仿真实验

实验要求

课程面向土木工程学院及材料科学与工程学院大二及以上学生教学及学习。

开展实验课之前需具备应用于材料领域所需的数学、自然科学和工程技术原理等基础知识，具备材料科学与工程专业的基本理论知识，能够理解材料体系中结构、性质、加工和使用性能之间的内在联系。

教学成果

图片.png

实验背景

超高性能水泥基材料是一种新型的土木工程材料，具有超高强、超高韧和超高耐久性等特点，其性能高度契合现代土木工程结构轻量化、高层化、高强高韧和高耐久化的迫切需求，突破了水泥基材料性能和应用领域的诸多极限，被认为是在地震、冲击和爆炸等极端荷载下未来重大工程项目所依赖的建筑材料。

当普通混凝土结构在强地震荷载作用下会产生弯曲、剪切和弯剪等破坏，势必造成巨大的生命财产安全损失。此外，从军事防御的角度而言，重要军（民）用建筑可能遭到恐怖爆炸袭击或偶然性撞击、爆炸等破坏。强震、侵彻爆炸产生的强动载不仅对工程结构造成弯曲、剪切变形甚至倒塌等整体破坏，还会造成侵彻、贯穿、震塌等严重的局部破坏。而混凝土抗爆性能与其强度和韧性密切相关，强度高，抗侵彻冲击能力强；韧性好，抗爆炸震塌能力强。因此，对混凝土材料的超高强、超高韧、高抗力，及其抗侵彻爆炸设计计算方法与超高抗力抗爆结构等方面的研究迫在眉睫。

设计原则

超高性能水泥基材料设计与分析虚拟仿真实验基于水泥基材料性能分析引导性能设计的途径，遵循从“原理到实践”、“本质到现象”、“简单到复杂”的设计思路，拟定了从“素混凝土”的设计和分析，到“高性能纤维混凝土”的设计、分析和评估，到最终的“在综合条件下的性能优化”的分析和评价的综合模块设定。实验的对象从“材料到结构”进行设定，通过学生自主设置材料的基本参数，密切结合《混凝土外加剂及其应用技术新进展》及《土木工程材料》专业课程的知识点，采用交互式学习方法理解不同材料在设定参数如水胶比、钢纤维掺量及矿物掺合料性能与掺量等对材料性能的不同作用，并理解不同影响因素的作用机理和实验的相关原理。让学生通过原理探究及应用虚拟实验，经历设计实验、实施实验、分析与解释数据、并通过信息综合得到合理有效的结论的全过程，学习掌握包括基体增强及纤维增强在内的设计理念。

实验目标

本项目关注超高性能水泥基材料的静、动荷载下的力学性能的设计、材料制备与特性测试分析，结合超高性能水泥基材料的应用案例，旨在通过虚拟仿真技术实现超高性能水泥基材料的设计、制备、测试和应用的全流程实验。同时实现以下教学目标：

· 掌握超高性能水泥基材料的水化过程及力学性能发展的基础知识，掌握不同内掺材料（粉煤灰、矿渣、硅灰等矿物掺合料）和外掺材料（如外加剂、纳米材料、增韧材料等）作用原理及其微观调控机制；

· 掌握超高性能水泥基材料设计的基本科学原则、制备过程的基本步骤及应用的基本知识，

· 掌握超高性能水泥基材料抗爆性能调控的基本原理，熟悉相关测试分析方法，学习包括熟悉抗静、动荷载实验在内的测试方法和评价标准；

掌握采用科学方法对复杂的抗爆问题进行研究且通过实验数据综合分析得到合理结论的能力。

成绩评定

步骤序号	步骤目标要求	步骤合理用时（分钟）	目标达成度赋分模型	步骤满分	成绩类型
1	了解实验场景与背景，总分3分。学生按照操作说明提示完成平台的注册与登录，登录成功即可得2分，完成实验背景介绍子窗口浏览即可得1分。	5	直接不得分与得满分	3	操作成绩
2	理解实验目的及原理，总分10分。考察学生掌握不同增强、增韧材料在水泥基材料中的作用机理。通过在实验报告中的实验原理撰写进行给分，共计两大类增韧原理，3小类具体增韧方式，每正确撰写出1小类即可得1分，3小类全部正确写出即可得5分。在预习测试部分共有10道选择题，每做对1道得0.5分，该部分需达到80%才可进行下一步学习。	20	操作赋分模型	10	预习成绩
3	掌握素混凝土设计实验环节，总分5分。若不满足水胶比设计范围要求，评分0分，共计5类水胶比，每类水胶比范围设计正确得1分。	10	操作赋分模型	5	预习成绩
4	掌握素混凝土的制备方法，总分4分。学生选择正确称量天平精度可得1分，选择正确加料顺序可得1分，选择正确实验模具可得1分，设定正确温度与湿度可得1分	15	操作及分析赋分模型	4	操作成绩
5	掌握抗压实验方法的重点步骤，总分6分。学生将试件居中对齐得2分，选择正确得加荷载范围得2分，在实验报告中至少展示三件水胶比试件破坏过程及抗压强度计算结果，每一件得1分，三件均展示则得4分。	20	操作及计算模拟赋分模型	6	操作成绩
6	掌握轴心抗拉实验方法的重点步骤，总分6分。学生将试件居中对齐得2分，在实验结束后，学生在实验报告中至少展示三件试件破坏过程的特写及抗拉强度计算结果，每一件得1分，三件均展示则得4分。	10	操作及计算模拟赋分模型	6	操作成绩
7	掌握侵彻实验方法的重点步骤，总分6分，学生需要将试件放置居中，保证侵彻实验击中靶心，完成该步骤得2分，在实验结束后，学生在实验报告中至少展示三件试件破坏过程的特写及侵彻深度观察结果，每一件1分，三件均展示则得4分。	10	操作及计算模拟赋分模型	6	操作成绩
8	掌握超高性能纤维混凝土的设计实验环节，总分10分，学生选择适合的水灰比得2分，选择正确的外加剂得2分，至少正确设计3种不同的纤维掺量，每种纤维掺量得2分。	20	操作及分析赋分模型	10	教师评价报告
9	掌握超高性能纤维混凝土制备与实验方法，总分8分，在制备过程中学生选择正确的加料顺序得2分，设置正确的搅拌速率及时间得2分，选择正确的模具得2分，设置正确的养护温湿度得2分。在抗压抗拉实验中，学生将试件居中对齐得2分，在实验报告中至少展示3件试样的破坏过程以及抗压抗拉强度，每件试样得2分。在侵彻实验中，学生至少展示3件试样得侵彻破坏过程以及所测侵彻程度，每件试件得2分。在爆炸实验中，学生选择正确起爆器，得2分，并对迎爆面与背爆面破坏情况进行展示，得1分。	15	操作及分析赋分模型	25	操作成绩
10	掌握高性能混凝土抗爆综合设计原理、理解矿物掺合料的掺量对材料力学性能的影响。总分12分，学生需要设计2个矿物掺和料掺量，每个1分，即选即得分，并按照要求完成“材料制备”、“强度实验”、“轴心抗拉实验”、“侵彻实验”和“爆炸实验”，每个实验正确完成得2分。	10	操作及分析赋分模型	12	教师评价报告
11	完成实验报告及考核，总分13分。学生需要根据实验原理、内容、步骤、结果进行正确整合，每个部分得2分，同时学生将进行实验过程的考核，共分为10道题目，每道题目0.5分。学生在留言讨论板中将实验感想以及对平台建设宝贵建议进行留言，得3分。	20	分析赋分模型	13	教师评价报告