《土木工程材料》开放性实验教学研究

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1本案例的教学目标及实验内容

1．1教学目标

当前高性能混凝土的应用十分广泛，相对于普通混凝土，高性能混凝土具有耐久性、工作性、适用性、强度、体积稳定性和经济性等诸多优良特性。高性能混凝土在配制上的特点是水胶比低，选用优质原材料，必须掺加足够数量的矿物细掺料和高效外加剂。然而在配制高性能混凝土时，由于水胶比低，常面临如何满足施工流动性等要求，此条件下如何确定混凝土中矿物外掺料的最佳使用比例，一些资料对其掺量或组合方式提出了参考建议，但由于所使用的减水剂及水泥、粉煤灰、矿渣粉的品质和成分的复杂性，这些参考数据往往有一定的局限，故确定矿物掺合料对胶凝材料体系流动度和强度的影响是混凝土配制的基础工作，是做好高性能混凝土配合比设计的一个重要实验内容。其次，混凝土生产中的一个重要环节是养护，养护的目的在于创造适当的温湿度条件，保证或加速混凝土的正常硬化。即使采用优良的原材料、正确的配合比和严格的浇筑成型工艺，不重视养护也不可能获得所需的混凝土性能。不同的养护方法对混凝土性能有不同的影响。常用的养护方法有自然养护、蒸压养护、蒸汽养护、电热养护、干湿热养护、太阳能养护和红外线养护等。实验大纲对于养护的内容很缺乏，为适应工程应用的要求，有必要让本科生了解各种不同养护条件对水泥混凝土材料性能的影响。综上所述，本案例结合科研热点和应用，设计关于养护条件对复合胶凝材料砂浆强度影响的开放性教学实验，主要是培养学生对土木工程材料课程所学的矿物掺合料技术性质、流动度的影响因素和养护对水泥基材料强度的影响等知识点融会贯通的能力。

1．2实验内容

1．2．1内容与课时安排

为降低水泥熟料用量，开发绿色建筑材料，提高砂浆或混凝土性能，矿物掺合料在水泥基材料中的应用越来越广。粉煤灰、矿渣、硅灰、偏高岭土等矿物掺合料是具有较高活性的火山灰材料，可以在碱激发的条件下发生火山灰反应。本开放性实验采用胶砂流动度和胶砂强度检验两种实验手段，针对如何确定混凝土配制时矿物掺合料最佳类别、比例及组合方式进行研究，为指导混凝土配制提供技术支持。1)采用粉煤灰、矿渣、硅灰、偏高岭土等矿物掺合料进行胶砂配合比设计。考虑单独和复合掺加矿物掺合料、胶砂水胶比选取0．35、0．5，砂胶比3．0。按照标准胶砂制备程序搅拌基准胶砂和掺矿物掺合料胶砂。2)基准砂浆和掺矿物掺合料砂浆流动度测定。以《水泥胶砂流动度测定方法》(GB/T2419—2005)作为测定方法，测定各种配合比的胶砂流动度，对比分析各配合比胶凝材料组合的流动度值大小。3)基准砂浆和掺矿物掺合料砂浆强度测定。以《水泥胶砂强度检验方法(ISO法)》(GB/T17671—2005)作为测定方法，测定各种配合比的胶砂抗压和抗折强度，对比分析各配合比胶凝材料组合的强度值大小。4)确定最佳胶凝材料类别、组合方式及掺加比例。根据流动度和强度结果，通过对比研究不同胶凝材料类别、组合及不同掺量条件下胶砂的流动度和强度，结合经济、技术双重考量，最终确定混凝土配制最优的复合胶凝材料。在课堂讲授完水泥基本技术性能和掺矿物掺合料水泥后，即可开始第一项“胶砂拌制、复合胶凝材料砂浆流动度测试”实验;强度测试龄期可安排为7、28、56d，最长可达90d，这种安排可让学生加深对掺矿物掺合料水泥基材料强度发展过程的认识。强度测试的课时安排可根据测试龄期的多少来调整，一般为1～2个课时，其他项目为1个课时。

1．2．2实验材料和仪器

1)实验原材料和配合比。实验所需的胶凝材料包括水泥、粉煤灰、矿渣、偏高岭土和硅灰;集料采用标准砂;同时准备目前常用的聚羧酸高效减水剂。2)实验仪器。实验所需的仪器主要有水泥净浆和胶砂搅拌机及其成型振动台，胶砂流动度跳桌，标准养护箱，烘箱，蒸汽养护箱等仪器，以及电子秤、量筒、三联砂浆试模、游标卡尺、坍落度桶、捣棒等器具。为对比多种不同组合的复合胶凝材料性能，需按照课时和配合比的具体情况准备试模和养护箱，在时间允许的条件下，也可在不增加器具条件下安排不同小组进行不同复合胶凝材料砂浆的实验，互相对比，也能获得同样实验效果。

1．2．3实验结果与讨论

实验完成后，让参与的各个小组把实验结果统一上交并由指导老师进行简评并组织讨论。通过对比首先可发现特别异常的结果，可就此讨论造成实验结果异常的可能因素，如原材料波动、仪器异常、称量或操作误差等;教师也可针对其他一些学生感兴趣或对学生具有启发性的相关话题展开深入讨论。基于实验内容，可以引导学生将土木工程材料课程所学的矿物掺合料技术性质、流动度的影响因素、养护和矿物掺合料对水泥基材料性能的影响等知识点融会贯通并进行扩展，从而领悟到更深层的作用机理，最后还可要求学生在每个实验报告末页增加一项“实验误差”内容，可让学生在此总结从实验中得到的收获和感想，对于进一步加深学生掌握实验要领很有益处。

2效果评价

上述开放性实验分别应用于土木工程和工程管理专业的水泥材料实验课程，对这两个专业的课时安排完全相同，共6次24学时，采取了每组均完成不同材料配合比以及不同组做不同材料配合比的两种实验安排，对比传统采用的验证性实验，均显著改进了教学效果，采用答辩的方式进行考核。将学生按照参加实验类别分为开放性实验组和验证性实验组，每组各30人，指导教师固定提4个问题，提问主要针对学生对实验的认识深度展开，统计回答情况。，可认为传统验证性实验因为学生实际操作的机会有限，有一大部分学生对加载速度没有深刻的印象。由于现在的大纲内只有以水泥为胶凝材料的一系列验证性实验，不利于与现在水泥混凝土的应用情况接轨，只参加传统验证性实验的学生，对矿物掺合料的技术性质不够了解。大纲实验只有标准养护，没有用到其他养护方式，故参加传统验证性实验的学生对于蒸汽养护也不太清楚。另外，参与开放性实验的学生热情明显提高，实验气氛更加活跃，启发了学生思维;各个小组根据不同的配合比进行实验，所得到的实验报告内容不再千篇一律，更加充实。学生的提问内容涉及更广泛的领域。开发性实验目标中包含了基本实验教学目标，并对其进行了扩展和强化，学生不进行课前预习，很难顺利完成实验，对学生的要求更高。

3结论

1)开放性实验的实验内容应结合科研热点和前沿，区别于《土木工程材料》课程大纲规定的项目，激发学生的实验热情，培养学生的工程应用能力和创新能力。2)开展掺矿物掺合料胶凝材料体系的胶砂流动度试验，并进行胶砂强度检验，对于高性能混凝土配制有着特殊的意义，可用于指导选择高性能混凝土配制胶凝材料组合方式。3)开发性实验不仅保障了原有教学目标，而且明显提高了学生参与实验的积极性，实验内容更为丰富，同时加深了学生对实验操作和结果评价的认识。

参考文献:

［1］王伟．基于翻转课堂的《土木工程材料》实验教学研究［J］．四川建材，2018，44(8):245－248．

［2］朱洪波．水泥基材料开发性实验课程设计［J］．实验室研究与探索，2018，37(6):188－190．

作者：贺智敏 初汉增 单位：宁波大学建筑工程与环境学院