《土木工程材料》開放性實(shí)驗(yàn)教學(xué)研究

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1本案例的教學(xué)目標(biāo)及實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

1．1教學(xué)目標(biāo)

當(dāng)前高性能混凝土的應(yīng)用十分廣泛，相對(duì)于普通混凝土，高性能混凝土具有耐久性、工作性、適用性、強(qiáng)度、體積穩(wěn)定性和經(jīng)濟(jì)性等諸多優(yōu)良特性。高性能混凝土在配制上的特點(diǎn)是水膠比低，選用優(yōu)質(zhì)原材料，必須摻加足夠數(shù)量的礦物細(xì)摻料和高效外加劑。然而在配制高性能混凝土?xí)r，由于水膠比低，常面臨如何滿足施工流動(dòng)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(duì)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(zhì)和成分的復(fù)雜性，這些參考數(shù)據(jù)往往有一定的局限，故確定礦物摻合料對(duì)膠凝材料體系流動(dòng)度和強(qiáng)度的影響是混凝土配制的基礎(chǔ)工作，是做好高性能混凝土配合比設(shè)計(jì)的一個(gè)重要實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。其次，混凝土生產(chǎn)中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)是養(yǎng)護(hù)，養(yǎng)護(hù)的目的在于創(chuàng)造適當(dāng)?shù)臏貪穸葪l件，保證或加速混凝土的正常硬化。即使采用優(yōu)良的原材料、正確的配合比和嚴(yán)格的澆筑成型工藝，不重視養(yǎng)護(hù)也不可能獲得所需的混凝土性能。不同的養(yǎng)護(hù)方法對(duì)混凝土性能有不同的影響。常用的養(yǎng)護(hù)方法有自然養(yǎng)護(hù)、蒸壓養(yǎng)護(hù)、蒸汽養(yǎng)護(hù)、電熱養(yǎng)護(hù)、干濕熱養(yǎng)護(hù)、太陽能養(yǎng)護(hù)和紅外線養(yǎng)護(hù)等。實(shí)驗(yàn)大綱對(duì)于養(yǎng)護(hù)的內(nèi)容很缺乏，為適應(yīng)工程應(yīng)用的要求，有必要讓本科生了解各種不同養(yǎng)護(hù)條件對(duì)水泥混凝土材料性能的影響。綜上所述，本案例結(jié)合科研熱點(diǎn)和應(yīng)用，設(shè)計(jì)關(guān)于養(yǎng)護(hù)條件對(duì)復(fù)合膠凝材料砂漿強(qiáng)度影響的開放性教學(xué)實(shí)驗(yàn)，主要是培養(yǎng)學(xué)生對(duì)土木工程材料課程所學(xué)的礦物摻合料技術(shù)性質(zhì)、流動(dòng)度的影響因素和養(yǎng)護(hù)對(duì)水泥基材料強(qiáng)度的影響等知識(shí)點(diǎn)融會(huì)貫通的能力。

1．2實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

1．2．1內(nèi)容與課時(shí)安排

為降低水泥熟料用量，開發(fā)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(yīng)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(fā)的條件下發(fā)生火山灰反應(yīng)。本開放性實(shí)驗(yàn)采用膠砂流動(dòng)度和膠砂強(qiáng)度檢驗(yàn)兩種實(shí)驗(yàn)手段，針對(duì)如何確定混凝土配制時(shí)礦物摻合料最佳類別、比例及組合方式進(jìn)行研究，為指導(dǎo)混凝土配制提供技術(shù)支持。1)采用粉煤灰、礦渣、硅灰、偏高嶺土等礦物摻合料進(jìn)行膠砂配合比設(shè)計(jì)。考慮單獨(dú)和復(fù)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(biāo)準(zhǔn)膠砂制備程序攪拌基準(zhǔn)膠砂和摻礦物摻合料膠砂。2)基準(zhǔn)砂漿和摻礦物摻合料砂漿流動(dòng)度測(cè)定。以《水泥膠砂流動(dòng)度測(cè)定方法》(GB/T2419—2005)作為測(cè)定方法，測(cè)定各種配合比的膠砂流動(dòng)度，對(duì)比分析各配合比膠凝材料組合的流動(dòng)度值大小。3)基準(zhǔn)砂漿和摻礦物摻合料砂漿強(qiáng)度測(cè)定。以《水泥膠砂強(qiáng)度檢驗(yàn)方法(ISO法)》(GB/T17671—2005)作為測(cè)定方法，測(cè)定各種配合比的膠砂抗壓和抗折強(qiáng)度，對(duì)比分析各配合比膠凝材料組合的強(qiáng)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(jù)流動(dòng)度和強(qiáng)度結(jié)果，通過對(duì)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(dòng)度和強(qiáng)度，結(jié)合經(jīng)濟(jì)、技術(shù)雙重考量，最終確定混凝土配制最優(yōu)的復(fù)合膠凝材料。在課堂講授完水泥基本技術(shù)性能和摻礦物摻合料水泥后，即可開始第一項(xiàng)“膠砂拌制、復(fù)合膠凝材料砂漿流動(dòng)度測(cè)試”實(shí)驗(yàn);強(qiáng)度測(cè)試齡期可安排為7、28、56d，最長(zhǎng)可達(dá)90d，這種安排可讓學(xué)生加深對(duì)摻礦物摻合料水泥基材料強(qiáng)度發(fā)展過程的認(rèn)識(shí)。強(qiáng)度測(cè)試的課時(shí)安排可根據(jù)測(cè)試齡期的多少來調(diào)整，一般為1～2個(gè)課時(shí)，其他項(xiàng)目為1個(gè)課時(shí)。

1．2．2實(shí)驗(yàn)材料和儀器

1)實(shí)驗(yàn)原材料和配合比。實(shí)驗(yàn)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(biāo)準(zhǔn)砂;同時(shí)準(zhǔn)備目前常用的聚羧酸高效減水劑。2)實(shí)驗(yàn)儀器。實(shí)驗(yàn)所需的儀器主要有水泥凈漿和膠砂攪拌機(jī)及其成型振動(dòng)臺(tái)，膠砂流動(dòng)度跳桌，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)箱，烘箱，蒸汽養(yǎng)護(hù)箱等儀器，以及電子秤、量筒、三聯(lián)砂漿試模、游標(biāo)卡尺、坍落度桶、搗棒等器具。為對(duì)比多種不同組合的復(fù)合膠凝材料性能，需按照課時(shí)和配合比的具體情況準(zhǔn)備試模和養(yǎng)護(hù)箱，在時(shí)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(jìn)行不同復(fù)合膠凝材料砂漿的實(shí)驗(yàn)，互相對(duì)比，也能獲得同樣實(shí)驗(yàn)效果。

1．2．3實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

實(shí)驗(yàn)完成后，讓參與的各個(gè)小組把實(shí)驗(yàn)結(jié)果統(tǒng)一上交并由指導(dǎo)老師進(jìn)行簡(jiǎn)評(píng)并組織討論。通過對(duì)比首先可發(fā)現(xiàn)特別異常的結(jié)果，可就此討論造成實(shí)驗(yàn)結(jié)果異常的可能因素，如原材料波動(dòng)、儀器異常、稱量或操作誤差等;教師也可針對(duì)其他一些學(xué)生感興趣或?qū)W(xué)生具有啟發(fā)性的相關(guān)話題展開深入討論?；趯?shí)驗(yàn)內(nèi)容，可以引導(dǎo)學(xué)生將土木工程材料課程所學(xué)的礦物摻合料技術(shù)性質(zhì)、流動(dòng)度的影響因素、養(yǎng)護(hù)和礦物摻合料對(duì)水泥基材料性能的影響等知識(shí)點(diǎn)融會(huì)貫通并進(jìn)行擴(kuò)展，從而領(lǐng)悟到更深層的作用機(jī)理，最后還可要求學(xué)生在每個(gè)實(shí)驗(yàn)報(bào)告末頁增加一項(xiàng)“實(shí)驗(yàn)誤差”內(nèi)容，可讓學(xué)生在此總結(jié)從實(shí)驗(yàn)中得到的收獲和感想，對(duì)于進(jìn)一步加深學(xué)生掌握實(shí)驗(yàn)要領(lǐng)很有益處。

2效果評(píng)價(jià)

上述開放性實(shí)驗(yàn)分別應(yīng)用于土木工程和工程管理專業(yè)的水泥材料實(shí)驗(yàn)課程，對(duì)這兩個(gè)專業(yè)的課時(shí)安排完全相同，共6次24學(xué)時(shí)，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(shí)驗(yàn)安排，對(duì)比傳統(tǒng)采用的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，均顯著改進(jìn)了教學(xué)效果，采用答辯的方式進(jìn)行考核。將學(xué)生按照參加實(shí)驗(yàn)類別分為開放性實(shí)驗(yàn)組和驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)組，每組各30人，指導(dǎo)教師固定提4個(gè)問題，提問主要針對(duì)學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)的認(rèn)識(shí)深度展開，統(tǒng)計(jì)回答情況。，可認(rèn)為傳統(tǒng)驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)因?yàn)閷W(xué)生實(shí)際操作的機(jī)會(huì)有限，有一大部分學(xué)生對(duì)加載速度沒有深刻的印象。由于現(xiàn)在的大綱內(nèi)只有以水泥為膠凝材料的一系列驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，不利于與現(xiàn)在水泥混凝土的應(yīng)用情況接軌，只參加傳統(tǒng)驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)的學(xué)生，對(duì)礦物摻合料的技術(shù)性質(zhì)不夠了解。大綱實(shí)驗(yàn)只有標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)，沒有用到其他養(yǎng)護(hù)方式，故參加傳統(tǒng)驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)的學(xué)生對(duì)于蒸汽養(yǎng)護(hù)也不太清楚。另外，參與開放性實(shí)驗(yàn)的學(xué)生熱情明顯提高，實(shí)驗(yàn)氣氛更加活躍，啟發(fā)了學(xué)生思維;各個(gè)小組根據(jù)不同的配合比進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，所得到的實(shí)驗(yàn)報(bào)告內(nèi)容不再千篇一律，更加充實(shí)。學(xué)生的提問內(nèi)容涉及更廣泛的領(lǐng)域。開發(fā)性實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)中包含了基本實(shí)驗(yàn)教學(xué)目標(biāo)，并對(duì)其進(jìn)行了擴(kuò)展和強(qiáng)化，學(xué)生不進(jìn)行課前預(yù)習(xí)，很難順利完成實(shí)驗(yàn)，對(duì)學(xué)生的要求更高。

3結(jié)論

1)開放性實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容應(yīng)結(jié)合科研熱點(diǎn)和前沿，區(qū)別于《土木工程材料》課程大綱規(guī)定的項(xiàng)目，激發(fā)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)熱情，培養(yǎng)學(xué)生的工程應(yīng)用能力和創(chuàng)新能力。2)開展摻礦物摻合料膠凝材料體系的膠砂流動(dòng)度試驗(yàn)，并進(jìn)行膠砂強(qiáng)度檢驗(yàn)，對(duì)于高性能混凝土配制有著特殊的意義，可用于指導(dǎo)選擇高性能混凝土配制膠凝材料組合方式。3)開發(fā)性實(shí)驗(yàn)不僅保障了原有教學(xué)目標(biāo)，而且明顯提高了學(xué)生參與實(shí)驗(yàn)的積極性，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容更為豐富，同時(shí)加深了學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)操作和結(jié)果評(píng)價(jià)的認(rèn)識(shí)。

參考文獻(xiàn):

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［2］朱洪波．水泥基材料開發(fā)性實(shí)驗(yàn)課程設(shè)計(jì)［J］．實(shí)驗(yàn)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(xué)建筑工程與環(huán)境學(xué)院