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摘要:

土木工程專業(yè)包括了建筑工程、隧道與地下工程、水利水電工程，以及道路橋梁工程等多個專業(yè)方向。文章分析了不同土木工程專業(yè)的材料共性問題和個性要求，提出針對不同專業(yè)的實際應(yīng)用需求，以提升學(xué)生專業(yè)素質(zhì)為目的，進(jìn)行土木工程材料課程建設(shè)。

關(guān)鍵詞:

專業(yè)需求;共性問題;個性要求;課程建設(shè)

土木工程材料課程是土木工程專業(yè)的一門專業(yè)基礎(chǔ)課，課程教學(xué)目的是使未來的建設(shè)工程師了解和掌握工程中常用材料的基本性能與應(yīng)用方法，為今后工程實踐或科研工作提供必要的基本知識和技能［1－2］。作為一門專業(yè)基礎(chǔ)課，土木工程材料課程在專業(yè)課程學(xué)習(xí)中起到了承上啟下的作用，直接關(guān)系到后續(xù)課程的學(xué)習(xí)［3］。土木工程材料課程的前身是建筑材料課程。為適應(yīng)工程建設(shè)需要，土木工程專業(yè)在專業(yè)調(diào)整時提出了“大土木工程”概念，主要涵蓋了建筑工程、道路工程、橋梁工程、市政工程、隧道及地下工程、港口工程和水利水電工程等多個專業(yè)［1］。這些細(xì)化后不同專業(yè)的建設(shè)材料基礎(chǔ)都發(fā)源于建筑工程材料，工程技術(shù)人員的材料知識基礎(chǔ)也是建筑材料。專業(yè)調(diào)整后不同專業(yè)學(xué)生所學(xué)的課程名稱變更為土木工程材料，但其教材編排與教學(xué)大綱未作針對性調(diào)整，課程內(nèi)容與原來的建筑材料相比并未有太大變化，更多的只是原有建筑材料課程內(nèi)容的簡單翻版，主要強(qiáng)調(diào)了材料的生產(chǎn)工藝與性能，忽略了不同專業(yè)的材料應(yīng)用需求，并不完全適合不同專業(yè)方向的學(xué)生培養(yǎng)。鑒于以上原因，文章分析了不同土木工程材料方向的共性問題與個性要求，提出了以提升學(xué)生專業(yè)素質(zhì)為目的，面向不同專業(yè)需求進(jìn)行土木工程材料課程建設(shè)的幾點建議。

一、土木工程專業(yè)材料共性問題

隨著工程實踐的需要和科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，土木工程學(xué)科已發(fā)展成為內(nèi)涵廣泛、門類眾多、結(jié)構(gòu)復(fù)雜的綜合體系。其專業(yè)分支包括建筑與市政工程、道路與橋梁工程、隧道及地下工程、水利工程等。其中有些分支，如水利工程，由于自身工程對象的增多以及專有技術(shù)的發(fā)展，已從土木工程中分化出來，成為獨立的學(xué)科體系，但是它們在很大程度上仍具有土木工程的學(xué)科共性。

(一)材料組成、性能與應(yīng)用的關(guān)系

對于土木工程技術(shù)人員而言，正確選擇與使用材料，要求理解和掌握材料的性能。材料的性能又決定于材料的組成與結(jié)構(gòu)，材料的不同應(yīng)用環(huán)境又決定了材料需要具備不同的組成與結(jié)構(gòu)，材料組成結(jié)構(gòu)、性能、應(yīng)用三者的關(guān)系。材料的組成與結(jié)構(gòu)內(nèi)容包括以下方面:(1)所用材料是有機(jī)材料還是金屬材料，抑或是無機(jī)非金屬材料;(2)材料是晶體材料還是非晶體材料，以及材料的孔隙結(jié)構(gòu)大小與類型等。這些組成與結(jié)構(gòu)決定了材料強(qiáng)度大小、屬于脆性材料還是韌性材料，其彈性模量如何，以及環(huán)境溫度、濕度、化學(xué)侵蝕等對材料的結(jié)構(gòu)與性能有無影響等;(3)每一類土木工程都有自己特殊的環(huán)境因素，鐵路與公路路基要考慮地下水與土壤中的溫度變化與侵蝕性物質(zhì)影響，隧道與地下結(jié)構(gòu)的挖掘必須考慮巖石的穩(wěn)定性與地下水的防排水，房屋建筑必須考慮居住與使用的舒適性和適用性;(4)相同種類的工程，還必須考慮四季交替，是靠近海洋還是鹽堿或沙漠等環(huán)境影響，任何工程都必須考慮材料的組成、結(jié)構(gòu)與性能是否適應(yīng)環(huán)境要求。

(二)材料強(qiáng)度的要求

不同土木工程對材料的共同要求還體現(xiàn)在，所有工程中用到的材料都必須具備基本的強(qiáng)度要求。橋梁的橋墩、橋身，建筑工程中的梁、柱等結(jié)構(gòu)構(gòu)件要求其材料具有足夠的抗壓強(qiáng)度或抗折強(qiáng)度等，以承受結(jié)構(gòu)荷載。房屋建筑中的墻體材料、橋梁上的欄桿等也需要足夠高的強(qiáng)度，以承受自重或荷載。建筑裝飾的涂料與基層之間、建筑保溫系統(tǒng)中的各個構(gòu)造之間、道路工程中的瀝青路面與混凝土基層之間，都需要足夠的粘結(jié)強(qiáng)度以保證材料間的相互協(xié)同作用。因此，具備適宜的強(qiáng)度是土木工程對材料的最基本要求，也是其共性問題。

(三)結(jié)構(gòu)耐久性的要求

土木工程材料對耐久性的定義是，在長期使用過程中，材料抵抗周圍各種介質(zhì)的侵蝕而不被破壞的能力。土木工程材料在使用過程中，除內(nèi)在原因使其組成結(jié)構(gòu)及性能發(fā)生變化以外，更多的是受到使用環(huán)境中各種因素的侵蝕作用，侵蝕作用包括物理、機(jī)械、化學(xué)和生物作用等，如金屬材料因化學(xué)和電化學(xué)作用引起銹蝕，無機(jī)非金屬材料因受到化學(xué)腐蝕、溶解、凍融、機(jī)械摩擦等因素的作用而引起開裂和剝落，有機(jī)材料因生物作用、化學(xué)腐蝕、光熱作用等引起老化。不同材料受到環(huán)境作用的因素雖然各自不同，但都屬于材料耐久性問題。因此，確保足夠的耐久性，滿足工程設(shè)計使用壽命，是所有土木工程對材料的基本要求，也是共性問題之一。

(四)工程防水的要求

結(jié)構(gòu)的防水防潮一直是土木工程領(lǐng)域需要克服的重要技術(shù)難題之一。建筑工程出現(xiàn)滲水，會造成居住不便與環(huán)境質(zhì)量的下降。隧道與地下工程滲水，易誘發(fā)安全隱患，導(dǎo)致隧道與地下結(jié)構(gòu)使用不便。結(jié)構(gòu)內(nèi)出現(xiàn)滲水返潮等問題，會對安裝于其中的大型設(shè)備產(chǎn)生腐蝕，即使鋼筋混凝土材料本身，也容易因水分滲透進(jìn)入導(dǎo)致內(nèi)部鋼筋銹蝕，或被其他化學(xué)介質(zhì)侵蝕破壞。因此，工程的防水抗?jié)B問題也是所有土木工程面臨的材料共性問題之一。

(五)不同土木工程的通用材料

雖然工程類型不同，使用環(huán)境不同，設(shè)計要求不同，但不同土木工程中所用的材料仍具有普遍的通用性。水泥混凝土、鋼材是所有工程必不可少的結(jié)構(gòu)承重材料，防水材料是所有類型工程都要選擇使用的產(chǎn)品。按照化學(xué)成分來說，有機(jī)高分子材料中的塑料、橡膠和膠粘劑等，無機(jī)材料中的石材、水泥、石灰等，在各個土木工程領(lǐng)域都可能被用到。

二、不同土木工程專業(yè)對材料的個性要求

由于土木工程專業(yè)方向不同，其使用目的、結(jié)構(gòu)特點、性能要求等不同，對工程材料要求也有所不同，反映的是不同土木工程對材料的個性要求。文章總結(jié)了以下四種土木工程類型。

(一)建筑工程

建筑工程與人的關(guān)系最為密切，是人類生活、學(xué)習(xí)與工作最重要的空間結(jié)構(gòu)，是人類社會生存與發(fā)展的最基本需求。工程所用材料的質(zhì)量決定了建筑工程的質(zhì)量，也決定了人的生活質(zhì)量。一個民族、一個地區(qū)或一個國家的文化與藝術(shù)水平也可通過建筑的水平與風(fēng)格得到體現(xiàn)，建筑工程中所用材料要能充分表達(dá)建筑設(shè)計的形狀與顏色，裝飾裝修對材料性能與環(huán)保的要求也最為突出。近年來，隨著經(jīng)濟(jì)與環(huán)境可持續(xù)發(fā)展的要求，建筑節(jié)能要求越來越高，因此，保溫絕熱材料成為建筑工程中的主要選擇。此外，吸聲與隔聲材料也是建筑工程中的專用材料之一。

(二)水利工程

人類通過修建水利工程，達(dá)到控制水流，防止洪澇災(zāi)害，并進(jìn)行水量的調(diào)節(jié)和分配以滿足人們生活和生產(chǎn)對水資源的需要。水利工程需要修建壩、堤、溢洪道、水閘等不同類型的水工建筑物，以實現(xiàn)其目標(biāo)。水利工程最主要的特點是結(jié)構(gòu)體量大，修建周期長，安全性要求高，使用壽命要求也長，這些都是水利工程在選用材料時必須考慮的。水利工程所用結(jié)構(gòu)材料主要是低熱水泥、中熱水泥，以及專門的水工混凝土等。

(三)隧道與地下工程

隧道與地下工程，包括交通運輸?shù)乃淼溃娛鹿こ痰母鞣N國防坑道，市政、采礦、儲存和生產(chǎn)等用途的地下工程，地下發(fā)電廠房以及各種水工隧洞等。因為這些工程是在巖體或土層中修建，施工過程中巖體或土層的穩(wěn)定性對施工進(jìn)度與施工安全至關(guān)重要，因此，注漿、支護(hù)、錨固等材料成為隧道與地下工程中的專用材料。

(四)道路工程

道路工程在建設(shè)與使用過程中，路基應(yīng)穩(wěn)定、密實以對路面結(jié)構(gòu)提供支撐，要考慮其變形、耐水性與穩(wěn)定性的協(xié)調(diào)，墊層與基層應(yīng)具有足夠的抗沖刷能力和適當(dāng)?shù)膭偠龋瑒偠冗^大過小都不行。道路路面材料要考慮耐磨、抗滑與平整，設(shè)計要考慮抗彎折荷載與變形，還要考慮汽車行駛的安全性與舒適性。不同的路基、不同結(jié)構(gòu)部位所用材料皆不同。工程用土、瀝青混合料、道路混凝土等可看作是道路工程的專用材料。

三、面向不同專業(yè)需求的土木工程材料課程建設(shè)

基于不同土木工程的材料共性問題和個性要求的實際情況，應(yīng)面向不同專業(yè)需求進(jìn)行土木工程材料課程建設(shè)。

(一)課程內(nèi)容增加

應(yīng)根據(jù)大土木專業(yè)增加新的課程內(nèi)容，如土工材料、無機(jī)結(jié)合料、防排水材料、錨噴支護(hù)材料等。以使土木工程材料課程更適合整個土木工程專業(yè)學(xué)生的培養(yǎng)。在增加新的課程內(nèi)容后，為適應(yīng)不同專業(yè)學(xué)生對土木工程材料的學(xué)習(xí)要求，應(yīng)及時調(diào)整土木工程材料課程內(nèi)容。筆者的建議是，將土木工程材料教學(xué)內(nèi)容分為三部分。第1部分:土木工程材料的組成與基本性質(zhì)。這部分內(nèi)容包括材料的組成與結(jié)構(gòu)、材料的基本物理性質(zhì)、材料的基本力學(xué)性能、材料的耐久性、材料的安全性等。這部分內(nèi)容體現(xiàn)的是土木工程材料的組成結(jié)構(gòu)、性能與應(yīng)用相互之間的關(guān)系，目的是掌握土木工程的材料理論共性問題。第2部分:土木工程通用材料。包括膠凝材料(氣硬性膠凝材料和水泥)、石材與骨料、混凝土、金屬材料、有機(jī)高分子材料、瀝青與防水材料等。這幾種材料基本上在所有土木工程中都有應(yīng)用，針對的也是土木工程的材料共性問題。第3部分:土木工程專用材料。(1)建筑與市政工程專用材料。裝飾材料、墻體材料與屋面材料等;(2)道路工程專用材料。道路混凝土、土、無機(jī)結(jié)合料、瀝青混合料等;(3)隧道工程專用材料。注漿材料、錨噴支護(hù)材料等;(4)水利水電工程專用材料。低熱水泥、水工混凝土等。第3部分內(nèi)容體現(xiàn)的是不同土木工程對材料的個性要求，這部分內(nèi)容可滿足不同專業(yè)方向?qū)W生學(xué)習(xí)和掌握本專業(yè)必須掌握的材料及其工程應(yīng)用。

(二)講授重點轉(zhuǎn)變

近年來，各個高校土木工程材料課時都有不同程度的壓縮。以重慶大學(xué)為例，現(xiàn)在土木工程材料總課時為40～48，其中包括14～16課時的實驗教學(xué)。在課時數(shù)如此之少的情況下，為補(bǔ)充新的教學(xué)內(nèi)容，只有對原有個別內(nèi)容進(jìn)行刪減。筆者的意見是，為保證教學(xué)內(nèi)容與教學(xué)課時數(shù)相匹配，可減少材料生產(chǎn)與生成方面的內(nèi)容，加強(qiáng)材料的工程應(yīng)用案例教學(xué)。以水泥這一章節(jié)為例，對于以工程應(yīng)用為主的土木工程專業(yè)畢業(yè)生而言，他們感興趣的是水泥的工程性質(zhì)與應(yīng)用問題，不會對生產(chǎn)與水化過程感興趣，因此可將相關(guān)內(nèi)容縮減。同時，在教學(xué)內(nèi)容中應(yīng)增加工程經(jīng)典實例，給學(xué)生講解如何從設(shè)計、施工、監(jiān)理等角度學(xué)習(xí)和掌握各種土木工程材料。在此基礎(chǔ)上，對一些“吃不飽”的學(xué)生，可以通過“自主學(xué)習(xí)”［4－5］理解和掌握更多的土木工程材料知識。

四、結(jié)語

文章分析了不同土木工程的材料共性問題和個性要求，進(jìn)而提出了應(yīng)面向不同專業(yè)實際需求，以提升學(xué)生專業(yè)素質(zhì)為目的，進(jìn)行土木工程材料課程建設(shè)，針對課程內(nèi)容與講授重點提出了具體建議。我國是土木工程建設(shè)大國，現(xiàn)有500多所高校設(shè)有土木工程專業(yè)［6］，作為土木類專業(yè)的學(xué)科基礎(chǔ)課，土木工程材料課程的教學(xué)效果對后續(xù)課程的學(xué)習(xí)和今后工作都會產(chǎn)生很大影響。然而，忽視不同專業(yè)的工程特性，不能針對不同工程專業(yè)進(jìn)行土木工程材料課程教學(xué)是國內(nèi)土木工程材料教學(xué)普遍存在的問題，希望通過此文引起國內(nèi)各位同行的響應(yīng)，共同探討解決之道。

作者：王沖 吳建華 劉芳 單位：重慶大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院

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