《土木工程材料》開放性實驗教學研究

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1本案例的教學目標及實驗內容

1．1教學目標

當前高性能混凝土的應用十分廣泛，相對于普通混凝土，高性能混凝土具有耐久性、工作性、適用性、強度、體積穩定性和經濟性等諸多優良特性。高性能混凝土在配制上的特點是水膠比低，選用優質原材料，必須摻加足夠數量的礦物細摻料和高效外加劑。然而在配制高性能混凝土時，由于水膠比低，常面臨如何滿足施工流動性等要求，此條件下如何確定混凝土中礦物外摻料的最佳使用比例，一些資料對其摻量或組合方式提出了參考建議，但由于所使用的減水劑及水泥、粉煤灰、礦渣粉的品質和成分的復雜性，這些參考數據往往有一定的局限，故確定礦物摻合料對膠凝材料體系流動度和強度的影響是混凝土配制的基礎工作，是做好高性能混凝土配合比設計的一個重要實驗內容。其次，混凝土生產中的一個重要環節是養護，養護的目的在于創造適當的溫濕度條件，保證或加速混凝土的正常硬化。即使采用優良的原材料、正確的配合比和嚴格的澆筑成型工藝，不重視養護也不可能獲得所需的混凝土性能。不同的養護方法對混凝土性能有不同的影響。常用的養護方法有自然養護、蒸壓養護、蒸汽養護、電熱養護、干濕熱養護、太陽能養護和紅外線養護等。實驗大綱對于養護的內容很缺乏，為適應工程應用的要求，有必要讓本科生了解各種不同養護條件對水泥混凝土材料性能的影響。綜上所述，本案例結合科研熱點和應用，設計關于養護條件對復合膠凝材料砂漿強度影響的開放性教學實驗，主要是培養學生對土木工程材料課程所學的礦物摻合料技術性質、流動度的影響因素和養護對水泥基材料強度的影響等知識點融會貫通的能力。

1．2實驗內容

1．2．1內容與課時安排

為降低水泥熟料用量，開發綠色建筑材料，提高砂漿或混凝土性能，礦物摻合料在水泥基材料中的應用越來越廣。粉煤灰、礦渣、硅灰、偏高嶺土等礦物摻合料是具有較高活性的火山灰材料，可以在堿激發的條件下發生火山灰反應。本開放性實驗采用膠砂流動度和膠砂強度檢驗兩種實驗手段，針對如何確定混凝土配制時礦物摻合料最佳類別、比例及組合方式進行研究，為指導混凝土配制提供技術支持。1)采用粉煤灰、礦渣、硅灰、偏高嶺土等礦物摻合料進行膠砂配合比設計。考慮單獨和復合摻加礦物摻合料、膠砂水膠比選取0．35、0．5，砂膠比3．0。按照標準膠砂制備程序攪拌基準膠砂和摻礦物摻合料膠砂。2)基準砂漿和摻礦物摻合料砂漿流動度測定。以《水泥膠砂流動度測定方法》(GB/T2419—2005)作為測定方法，測定各種配合比的膠砂流動度，對比分析各配合比膠凝材料組合的流動度值大小。3)基準砂漿和摻礦物摻合料砂漿強度測定。以《水泥膠砂強度檢驗方法(ISO法)》(GB/T17671—2005)作為測定方法，測定各種配合比的膠砂抗壓和抗折強度，對比分析各配合比膠凝材料組合的強度值大小。4)確定最佳膠凝材料類別、組合方式及摻加比例。根據流動度和強度結果，通過對比研究不同膠凝材料類別、組合及不同摻量條件下膠砂的流動度和強度，結合經濟、技術雙重考量，最終確定混凝土配制最優的復合膠凝材料。在課堂講授完水泥基本技術性能和摻礦物摻合料水泥后，即可開始第一項“膠砂拌制、復合膠凝材料砂漿流動度測試”實驗;強度測試齡期可安排為7、28、56d，最長可達90d，這種安排可讓學生加深對摻礦物摻合料水泥基材料強度發展過程的認識。強度測試的課時安排可根據測試齡期的多少來調整，一般為1～2個課時，其他項目為1個課時。

1．2．2實驗材料和儀器

1)實驗原材料和配合比。實驗所需的膠凝材料包括水泥、粉煤灰、礦渣、偏高嶺土和硅灰;集料采用標準砂;同時準備目前常用的聚羧酸高效減水劑。2)實驗儀器。實驗所需的儀器主要有水泥凈漿和膠砂攪拌機及其成型振動臺，膠砂流動度跳桌，標準養護箱，烘箱，蒸汽養護箱等儀器，以及電子秤、量筒、三聯砂漿試模、游標卡尺、坍落度桶、搗棒等器具。為對比多種不同組合的復合膠凝材料性能，需按照課時和配合比的具體情況準備試模和養護箱，在時間允許的條件下，也可在不增加器具條件下安排不同小組進行不同復合膠凝材料砂漿的實驗，互相對比，也能獲得同樣實驗效果。

1．2．3實驗結果與討論

實驗完成后，讓參與的各個小組把實驗結果統一上交并由指導老師進行簡評并組織討論。通過對比首先可發現特別異常的結果，可就此討論造成實驗結果異常的可能因素，如原材料波動、儀器異常、稱量或操作誤差等;教師也可針對其他一些學生感興趣或對學生具有啟發性的相關話題展開深入討論。基于實驗內容，可以引導學生將土木工程材料課程所學的礦物摻合料技術性質、流動度的影響因素、養護和礦物摻合料對水泥基材料性能的影響等知識點融會貫通并進行擴展，從而領悟到更深層的作用機理，最后還可要求學生在每個實驗報告末頁增加一項“實驗誤差”內容，可讓學生在此總結從實驗中得到的收獲和感想，對于進一步加深學生掌握實驗要領很有益處。

2效果評價

上述開放性實驗分別應用于土木工程和工程管理專業的水泥材料實驗課程，對這兩個專業的課時安排完全相同，共6次24學時，采取了每組均完成不同材料配合比以及不同組做不同材料配合比的兩種實驗安排，對比傳統采用的驗證性實驗，均顯著改進了教學效果，采用答辯的方式進行考核。將學生按照參加實驗類別分為開放性實驗組和驗證性實驗組，每組各30人，指導教師固定提4個問題，提問主要針對學生對實驗的認識深度展開，統計回答情況。，可認為傳統驗證性實驗因為學生實際操作的機會有限，有一大部分學生對加載速度沒有深刻的印象。由于現在的大綱內只有以水泥為膠凝材料的一系列驗證性實驗，不利于與現在水泥混凝土的應用情況接軌，只參加傳統驗證性實驗的學生，對礦物摻合料的技術性質不夠了解。大綱實驗只有標準養護，沒有用到其他養護方式，故參加傳統驗證性實驗的學生對于蒸汽養護也不太清楚。另外，參與開放性實驗的學生熱情明顯提高，實驗氣氛更加活躍，啟發了學生思維;各個小組根據不同的配合比進行實驗，所得到的實驗報告內容不再千篇一律，更加充實。學生的提問內容涉及更廣泛的領域。開發性實驗目標中包含了基本實驗教學目標，并對其進行了擴展和強化，學生不進行課前預習，很難順利完成實驗，對學生的要求更高。

3結論

1)開放性實驗的實驗內容應結合科研熱點和前沿，區別于《土木工程材料》課程大綱規定的項目，激發學生的實驗熱情，培養學生的工程應用能力和創新能力。2)開展摻礦物摻合料膠凝材料體系的膠砂流動度試驗，并進行膠砂強度檢驗，對于高性能混凝土配制有著特殊的意義，可用于指導選擇高性能混凝土配制膠凝材料組合方式。3)開發性實驗不僅保障了原有教學目標，而且明顯提高了學生參與實驗的積極性，實驗內容更為豐富，同時加深了學生對實驗操作和結果評價的認識。

參考文獻:

［1］王偉．基于翻轉課堂的《土木工程材料》實驗教學研究［J］．四川建材，2018，44(8):245－248．

［2］朱洪波．水泥基材料開發性實驗課程設計［J］．實驗室研究與探索，2018，37(6):188－190．

作者：賀智敏 初漢增 單位：寧波大學建筑工程與環境學院