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摘要:
土木工程專業包括了建筑工程、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方向。文章分析了不同土木工程專業的材料共性問題和個性要求，提出針對不同專業的實際應用需求，以提升學生專業素質為目的，進行土木工程材料課程建設。
關鍵詞:
專業需求;共性問題;個性要求;課程建設
土木工程材料課程是土木工程專業的一門專業基礎課，課程教學目的是使未來的建設工程師了解和掌握工程中常用材料的基本性能與應用方法，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］。作為一門專業基礎課，土木工程材料課程在專業課程學習中起到了承上啟下的作用，直接關系到后續課程的學習［3］。土木工程材料課程的前身是建筑材料課程。為適應工程建設需要，土木工程專業在專業調整時提出了“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［1］。這些細化后不同專業的建設材料基礎都發源于建筑工程材料，工程技術人員的材料知識基礎也是建筑材料。專業調整后不同專業學生所學的課程名稱變更為土木工程材料，但其教材編排與教學大綱未作針對性調整，課程內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容的簡單翻版，主要強調了材料的生產工藝與性能，忽略了不同專業的材料應用需求，并不完全適合不同專業方向的學生培養。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，提出了以提升學生專業素質為目的，面向不同專業需求進行土木工程材料課程建設的幾點建議。
一、土木工程專業材料共性問題
隨著工程實踐的需要和科學技術的發展，土木工程學科已發展成為內涵廣泛、門類眾多、結構復雜的綜合體系。其專業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的發展，已從土木工程中分化出來，成為獨立的學科體系，但是它們在很大程度上仍具有土木工程的學科共性。
(一)材料組成、性能與應用的關系
對于土木工程技術人員而言，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構，材料的不同應用環境又決定了材料需要具備不同的組成與結構，材料組成結構、性能、應用三者的關系。材料的組成與結構內容包括以下方面:(1)所用材料是有機材料還是金屬材料，抑或是無機非金屬材料;(2)材料是晶體材料還是非晶體材料，以及材料的孔隙結構大小與類型等。這些組成與結構決定了材料強度大小、屬于脆性材料還是韌性材料，其彈性模量如何，以及環境溫度、濕度、化學侵蝕等對材料的結構與性能有無影響等;(3)每一類土木工程都有自己特殊的環境因素，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影響，隧道與地下結構的挖掘必須考慮巖石的穩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境影響，任何工程都必須考慮材料的組成、結構與性能是否適應環境要求。
(二)材料強度的要求
不同土木工程對材料的共同要求還體現在，所有工程中用到的材料都必須具備基本的強度要求。橋梁的橋墩、橋身，建筑工程中的梁、柱等結構構件要求其材料具有足夠的抗壓強度或抗折強度等，以承受結構荷載。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、建筑保溫系統中的各個構造之間、道路工程中的瀝青路面與混凝土基層之間，都需要足夠的粘結強度以保證材料間的相互協同作用。因此，具備適宜的強度是土木工程對材料的最基本要求，也是其共性問題。
(三)結構耐久性的要求
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，除內在原因使其組成結構及性能發生變化以外，更多的是受到使用環境中各種因素的侵蝕作用，侵蝕作用包括物理、機械、化學和生物作用等，如金屬材料因化學和電化學作用引起銹蝕，無機非金屬材料因受到化學腐蝕、溶解、凍融、機械摩擦等因素的作用而引起開裂和剝落，有機材料因生物作用、化學腐蝕、光熱作用等引起老化。不同材料受到環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
結構的防水防潮一直是土木工程領域需要克服的重要技術難題之一。建筑工程出現滲水，會造成居住不便與環境質量的下降。隧道與地下工程滲水，易誘發安全隱患，導致隧道與地下結構使用不便。結構內出現滲水返潮等問題，會對安裝于其中的大型設備產生腐蝕，即使鋼筋混凝土材料本身，也容易因水分滲透進入導致內部鋼筋銹蝕，或被其他化學介質侵蝕破壞。因此，工程的防水抗滲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，使用環境不同，設計要求不同，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構承重材料，防水材料是所有類型工程都要選擇使用的產品。按照化學成分來說，有機高分子材料中的塑料、橡膠和膠粘劑等，無機材料中的石材、水泥、石灰等，在各個土木工程領域都可能被用到。
二、不同土木工程專業對材料的個性要求
由于土木工程專業方向不同，其使用目的、結構特點、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。文章總結了以下四種土木工程類型。
(一)建筑工程
建筑工程與人的關系最為密切，是人類生活、學習與工作最重要的空間結構，是人類社會生存與發展的最基本需求。工程所用材料的質量決定了建筑工程的質量，也決定了人的生活質量。一個民族、一個地區或一個國家的文化與藝術水平也可通過建筑的水平與風格得到體現，建筑工程中所用材料要能充分表達建筑設計的形狀與顏色，裝飾裝修對材料性能與環保的要求也最為突出。近年來，隨著經濟與環境可持續發展的要求，建筑節能要求越來越高，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，達到控制水流，防止洪澇災害，并進行水量的調節和分配以滿足人們生活和生產對水資源的需要。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，以實現其目標。水利工程最主要的特點是結構體量大，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。水利工程所用結構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，包括交通運輸的隧道，軍事工程的各種國防坑道，市政、采礦、儲存和生產等用途的地下工程，地下發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定性對施工進度與施工安全至關重要，因此，注漿、支護、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
道路工程在建設與使用過程中，路基應穩定、密實以對路面結構提供支撐，要考慮其變形、耐水性與穩定性的協調，墊層與基層應具有足夠的抗沖刷能力和適當的剛度，剛度過大過小都不行。道路路面材料要考慮耐磨、抗滑與平整，設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、不同結構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、面向不同專業需求的土木工程材料課程建設
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，應面向不同專業需求進行土木工程材料課程建設。
(一)課程內容增加
應根據大土木專業增加新的課程內容，如土工材料、無機結合料、防排水材料、錨噴支護材料等。以使土木工程材料課程更適合整個土木工程專業學生的培養。在增加新的課程內容后，為適應不同專業學生對土木工程材料的學習要求，應及時調整土木工程材料課程內容。筆者的建議是，將土木工程材料教學內容分為三部分。第1部分:土木工程材料的組成與基本性質。這部分內容包括材料的組成與結構、材料的基本物理性質、材料的基本力學性能、材料的耐久性、材料的安全性等。這部分內容體現的是土木工程材料的組成結構、性能與應用相互之間的關系，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、無機結合料、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部分內容體現的是不同土木工程對材料的個性要求，這部分內容可滿足不同專業方向學生學習和掌握本專業必須掌握的材料及其工程應用。
(二)講授重點轉變
近年來，各個高校土木工程材料課時都有不同程度的壓縮。以重慶大學為例，現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。在課時數如此之少的情況下，為補充新的教學內容，只有對原有個別內容進行刪減。筆者的意見是，為保證教學內容與教學課時數相匹配，可減少材料生產與生成方面的內容，加強材料的工程應用案例教學。以水泥這一章節為例，對于以工程應用為主的土木工程專業畢業生而言，他們感興趣的是水泥的工程性質與應用問題，不會對生產與水化過程感興趣，因此可將相關內容縮減。同時，在教學內容中應增加工程經典實例，給學生講解如何從設計、施工、監理等角度學習和掌握各種土木工程材料。在此基礎上，對一些“吃不飽”的學生，可以通過“自主學習”［4－5］理解和掌握更多的土木工程材料知識。
四、結語
文章分析了不同土木工程的材料共性問題和個性要求，進而提出了應面向不同專業實際需求，以提升學生專業素質為目的，進行土木工程材料課程建設，針對課程內容與講授重點提出了具體建議。我國是土木工程建設大國，現有500多所高校設有土木工程專業［6］，作為土木類專業的學科基礎課，土木工程材料課程的教學效果對后續課程的學習和今后工作都會產生很大影響。然而，忽視不同專業的工程特性，不能針對不同工程專業進行土木工程材料課程教學是國內土木工程材料教學普遍存在的問題，希望通過此文引起國內各位同行的響應，共同探討解決之道。
作者：王沖 吳建華 劉芳 單位：重慶大學材料科學與工程學院
參考文獻:
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