建筑材料实验教学三位一体模式探索

2020-06-18李福海何肖云峰王江山靳贺松李星烨

实验室研究与探索 2020年3期

李福海，何肖云峰，李瑞，王江山，靳贺松，李星烨

（西南交通大学土木工程学院，成都610031）

0 引言

科学研究离不开实验，它是掌握建筑材料性能的主要有效途径。在传统实验教学内容中存在的弊端与缺陷不仅抑制了学生兴趣、不利于能力培养，同时不能满足日益变化的科研和工程实际的需求［1］。实验教学环节主要存在以下几方面的问题：①课时较少、内容相对多且缺乏关联性；②机械单一的授课和考核模式；③以验证性实验为主，学生参与度低，能力无法得到有效提升；④教学内容陈旧滞后、缺少实际案例，不能满足新时代要求、学生兴趣大大降低［1-8］。本文拟从科研课题、实验拓展、工程应用3 个方面入手进行实验教学的创新探讨，以达到培养学生科研创新精神、提高实践能力、提升学习兴趣的目的。主要体现为：①引入科研课题更新实验材料和内容，改善传统实验内容老套、缺乏新意的弊端；②把传统验证性实验与科研和工程应用相结合，开展课题所需的综合设计型实验、工程实践型实验［3］，达到优化验证性、设计性、综合性、研究性实验比例的目的；③开放实验室，让学生能更好地利用课余零散时间，弥补课时较少的缺陷；④将新材料应用于工程的实例照片、实验流程、施工视频穿插在教学中［4］，与普通混凝土形成对比，展示新材料的可行性、重要性、特殊性，有助于启发学生创新思考、引起实践兴趣。这种理论与实际相辅相成的新型教学模式，既弥补了传统模式的缺陷，又增强了实验与实验之间、实验与工程之间的联系，把抽象的理论知识形象化，加深学生对新混凝土材料特性和应用意义的理解，为以后的科研竞赛、工作提供知识素材支撑，奠定基础。

本文以地聚物混凝土为例，详细介绍了基于科研的实验课题以及地聚物混凝土的力学性能、工作性能、微观拓展等各个新增实验的示例与结果分析。再结合工程应用现状，从“科研课题-实验拓展-工程应用”3个方面论述创新教学改革的实现方式与每个方面对学生的帮助与启示。

1 地聚物混凝土教学实验概述

1.1 地聚物研究的意义

地质聚合物（Geopolymer），简称地聚物，在20 世纪70 年代末由法国人Davidovits［9］提出。它以矿渣、粉煤灰等工业废弃物以及富含硅和铝元素的硅铝酸盐类矿物作为原材料，在化学激发剂作用下，由硅氧四面体与铝氧四面体聚合而成的三维网络胶凝体［10］。与每生产1 kg普通硅酸盐水泥产生的0.66 ～0.82 kg碳排放相比，生产每千克地聚物混凝土仅产生0.18 kg碳排放，仅为普通硅酸盐水泥的1/5［11］。在材料最为重要的力学性能方面，地聚物混凝土表现优异，具有较高的抗压、劈拉、抗折强度，同时拥有较好的耐久性和抗渗性［12］。并且在一定配比条件下使用一些特殊的外加剂，使地聚物混凝土拥有良好的工作性［13］。因此地聚物混凝土在未来的工程建设中拥有极大的应用潜力，其研究成果可以为今后的工程应用提供理论基础。同时，将地聚物混凝土科研课题创新性地引入实验教学中，可以使学生接触并了解到最新的科研方向，紧跟新技术的发展脚步，为祖国建设培养素质高、创新力强、视野开阔的人才。

1.2 试验方案概况

为了达到锻炼学生动手实践、探究等能力，教师可鼓励学生参与地聚物混凝土课题的大部分试验，包括前期较为基本的碱激发剂——氢氧化钠溶液的配置、混凝土试件的制作、养护；抗压和抗折强度试验、坍落度和砂浆凝结时间等测试［14］，并对地聚物混凝土力学性能、工作性能等后期试验数据进行处理、分析和总结。为了提高学生对新型建筑材料的认知，新模式对实验教学内容进行拓展，增设压汞试验和扫描电子显微镜试验［14］，让学生根据试验结果尝试进行微观解释，进一步了解地聚物混凝土各项性能特征的机理。

1.3 配比选择和调整说明

在常规建筑材料实验课程中，材料配比是由教师提供或学生课前计算所得，且实验时按照既定的配比操作。因此可以预知实验结果，大致猜测结论（如试件抗压强度、抗折强度等），导致实验失去了探究性质与吸引力。为了改善这个情况，本文在实验教学中加入部分设计性质的试验和新型试验（如压汞、电镜试验），由教师提供多组地聚物混凝土的配比，每组配比对应不同的性能结果。或将配比设计的主动权交予学生手中，让其自身探究当前试验条件下最优的配合比，锻炼学生的思考能力。

1.4 试验后期工作

试验操作结束后，需要学生按照《水泥胶砂强度检验方法》［15］计算试件的抗压强度和抗折强度，并对不同配合比试验的数据进行汇总，从各影响因素角度分析、总结各变量对抗压、抗折强度的影响。通过宏观的试验数据分析和材料微观机理分析的锻炼，提高学生的逻辑思维水平和分析、总结归纳能力。

2 地聚物混凝土基本性能及微观拓展实验

2.1 原材料

粉煤灰：Ⅰ级粉煤灰（成都博磊）；矿渣：S95 级矿渣（成都市砼新建筑材料有限公司）；细集料：ISO标准砂；水玻璃：波美度为40 度；片状氢氧化钠：纯度w≥95%；减水剂：聚羧酸粉末减水剂；成都市政管网自来水。

2.2 混凝土试件的制备和养护

首先将标准砂和粉煤灰放入搅拌机中搅拌30 s，然后将配制好的NaOH 溶液加入称好质量的水玻璃，搅拌至均匀后加入搅拌机中搅拌1min（根据实际情况调整搅拌时间）；采用40 mm ×40 mm ×160 mm 的三联试模，将混凝土试块放在所需养护制度的养护箱中进行养护。

2.3 力学性能实验

2.3.1 实验方法及方案设计

本文举例的力学性能实验即按照《水泥胶砂强度检验方法》对混凝土试块进行抗压强度和抗折强度试验［16］，并以3 d强度值作为参考指标，7 d强度值作为衡量指标，通过控制不同变量，分别探究养护温度、水玻璃和NaOH溶液的质量比等因素对抗压和抗折强度的影响。

既然碰上了，紫云并不躲避，正想羞辱他一番，出一口恶气。也许这样更好，这一天迟早会来，她在心里默念着：“是的，我不要脸，闹出去了，丑的还是你。”

2.3.2 实验结果分析

（1）养护温度的影响。实验以水玻璃和氢氧化钠溶液为双溶液激发剂，其中氢氧化钠溶液浓度为8 mol/L，水玻璃和氢氧化钠溶液质量比为2.5，将成型后的试块分别放入温度为20、40、60、80 ℃的恒温水浴养护箱中进行养护，然后通过实验测出3、7 d 的抗压、抗折强度来探究养护温度对强度的影响，结果见图1。

图1 温度对抗压、抗折强度的影响

由图1 可见，抗压、抗折强度都随着养护温度的提高而不断提高，且当温度低于40 ℃时，3 d和7 d的抗压、抗折强度都很低。当温度提高到40 ℃时，相比常温下，强度有了很大提高，3 d的抗压强度提高了10.7 MPa，7 d的抗压强度提高了10.5 MPa，但是初期强度还是较低。当温度提高到60 ℃时，3 d 和7 d 的抗折强度均达到最大，同时初期抗压强度由3 d 的17.6 MPa增长到7 d的24.3 MPa，从3 d到7 d这个龄期段的抗压强度净增长值最大。当温度超过80 ℃时，抗压强度仍在不断增长，而抗折强度有轻微的下降趋势。在80 ℃养护条件下，从图中还可以看出，3 d龄期抗压强度的增长速度要快于7 d，但仍未超过7 d 的抗压强度。

从以上结论可知，强度受到养护温度的影响，温度的提高不仅从物理方面加剧了分子热运动，提高了激发剂的热激发能，而且也从化学方面提高了氢氧根离子的解聚极化能，使活性低的玻璃体结构更容易被解聚。因此，随着养护温度的提高，材料的活性增强，其强度也得到了提高。

（2）质量比的影响。本试验质量比为水玻璃与氢氧化钠溶液的质量之比（后面叙述简称质量比）。氢氧化钠溶液摩尔浓度为14 mol/L，采用密封养护制度，在60 ℃的干燥养护箱内养护7 d，测试不同质量比下的抗压、抗折强度，结果见图2。由图2 可见，随着水玻璃与氢氧化钠溶液的质量比的增大，7 d 抗折强度呈现先升高再降低的规律，且起伏趋势较平缓。7 d抗压强度则随质量比的增加呈现先升高再降低，然后又升高再降低的“驼峰”状的规律，且从图中可以得到其抗压强度在质量比为1.0 时得到第1 个峰值，在质量比为2.5 时得到第2 个峰值。质量比为1.0 时强度达到最大值，在60 MPa左右。

图2 质量比对地聚物混凝土强度的影响

2.4 工作性能实验

2.4.1 实验方法及方案设计

（1）仪器设备。砂浆凝结时间测定仪（见图3），刮刀。

图3 砂浆凝结时间测定仪

（2）方法与步骤。砂浆凝结时间根据《建筑砂浆基本性能测试方法标准》（JGJ/T70-2009）［17］试验方法操作，来探究质量比、矿渣掺量等因素对砂浆凝结时间的影响。

2.4.2 实验结果分析

从实验结果中发现砂浆凝结时间和水玻璃与氢氧化钠溶液的质量比、矿渣掺量有很大关系，其中质量比是影响凝结时间的最关键的因素，结果见表1。

表1 影响凝结时间的因素

从表中可见，当水玻璃与氢氧化钠溶液的质量比在1.0 ～1.5 范围内，砂浆的反应较快，当质量比在1.5 ～2.5 范围内，砂浆的反应很慢，且凝结时间随质量比的增加而延长，缓凝剂对砂浆凝结时间的影响不大。

除了质量比对砂浆水化反应和凝结时间起到关键的影响以外，掺入的矿渣百分量对其影响也很大。从表中可见，掺入矿渣后，凝结时间大大缩短，而且随着矿渣掺量的增加，逐渐加速缩短凝结时间。

2.5 微观拓展实验

2.5.1 压汞实验

压汞实验采用Autopore iv 9500 压汞仪来测试地聚物混凝土的孔隙。

孔隙结构是混凝土微观结构中重要的组成部分，目前国内外对地聚物混凝土的孔隙结构研究较少，而地聚物是一种比较复杂的三维网状结构，因此研究其孔隙特征是解释不同因素影响其强度的重要依据，所以研究孔隙结构特征有非常重要的意义。

当水玻璃与氢氧化钠溶液的质量比从0.5 增加到2.5 时，探究地聚物混凝土孔隙率变化规律，结果见图4。

图4 凝固时间为1 d时不同质量比的地聚物试件孔隙率

由图4 可见，随着质量比的增加，试块的孔隙率呈现先增加再降低后增加的趋势。在质量比为0.5 ～1.0 时，孔隙率随着质量比的增加而上升；在质量比为1.0 ～1.5 时，孔隙率随着质量比的增加而降低；在质量比为1.5 ～2.5 时，孔隙率随着质量比的增加而上升。当质量比为1.0 时，孔隙率达到最高值22.07%；质量比为1.5 时，孔隙率达到最低值10.16%。

2.5.2 电镜实验

使用KYKY-EM3200 扫描电子显微镜定性测定地聚物水化产物微观形貌。举例的电镜实验针对地聚物强度影响的重要因素中选取水玻璃与氢氧化钠溶液质量比为1.0、2.5 两种质量比，养护温度为40 ℃，矿渣掺量为0%、30% 4 种工况，观察水化聚合反应以及产物在不同工况下的变化，成型1 d 时地聚物的微观形貌见图5。

图5 质量比2.5时反应1 d的SEM图

对比图5（a）和（b）可见，粉煤灰颗粒依旧呈现为较光滑的表面，说明矿渣为0 时粉煤灰浆体依旧未充分反应；从微观结构中可以解释，在未掺加矿渣时，粉煤灰颗粒长期以光滑球体的结构存在于浆体中，从而减小其与周边浆体的摩擦力，在宏观上整体具备良好的流动性。由图5（b）可见，当矿渣掺量为30%时，粉煤灰颗粒数量明显减少，说明矿渣的加入提高了反应速率，粉煤灰颗粒间填充着矿渣微粉、碱激发矿渣产物与碱激发粉煤灰产物的混合物，所以可清晰观察到粉煤灰颗粒间的空隙明显减少，稳定性得到提高，因此得出这些因素可以加快地聚物的水化聚合反应，提高其早期强度。

2.6 工程应用现状

地聚物混凝土在冶炼行业、汽车及航天工业、交通和修补工程、固封重金属及放射性废料、物品储存等领域都得到了普遍应用［18］。

（1）冶炼行业和汽车、航天工业。地聚物混凝土相比普通混凝土的耐高温性能更好，在承受1 000 ～1 200 ℃高温的情况下，结构性能不发生较大改变，且不会在高温环境下释放有毒物质；生产过程中耗能低、CO2的排放量仅是硅酸盐水泥的1/5。所以被普遍应用于赛车与航天器的关键部分以及金属冶炼行业。Davidovits曾使用地聚物混凝土制件浇筑预制品并取得了成功。

（2）交通及修补工程。地聚物混凝土具备快硬早强、水化热低的特性，用于工程可以减少脱模时耗，提高模板周转效率从而缩短施工期限，满足快速建成结构物并投入使用的需求；同时地聚物混凝土也用于结构修补、加固［19］，体现了其良好的耐久性、体积稳定性和较高的界面结合强度等优点，对于抢险救灾有重要的应用价值。

（3）固封重金属及放射性废料。现实生活中，固存核放射物质与废弃有毒金属离子的建筑物广泛采用地聚物混凝土修筑。归因于其聚合后产生密实的三维网络状“类晶体”［20］结构，生成密实的空腔能分隔、包裹有毒金属离子。拥有优越的抗渗透、耐腐蚀、耐水热性能，能长期经受核反应产生的水热循环且固定大部分有毒金属离子。

（4）物品储存。以地聚物混凝土修建的结构有良好的密实性且能自动调控温度与湿度，防止物品受潮生霉、变质。自身所具备的高强度也可以抵御鼠虫的啃咬、入侵。

3 实验分析与讨论

以上对地聚物混凝土的力学性能、工作性能、微观拓展等各个实验内容、结果分析进行了举例，同时讨论了结合科研与工程方面的应用，这种三位一体的教学模式可以使学生得到实际的帮助和锻炼。

（1）不同配合比对地聚物混凝土的各项性能有较大影响，前期由学生自行选择材料配比替代传统验证配合比实验，弥补原实验可预见性差、学生参与度低、教学质量不佳等缺陷。引发学生对于本实验的憧憬，进一步激发学生的好奇心与创造力。另外，配合比的调整修正的过程还可以使学生充分回顾课堂知识，达到温故知新的成效。

（2）学生在校期间的课程主要以理论课程和基础实验为主，而科研课题在原有基础上将新型材料与基本实验相结合。即使是传统的混凝土试件制作、力学性能试验以及工作性能等基础试验，在结合新材料后实验结果也与普通混凝土不同，结果的差异性使学生不可预见，从而促使学生产生浓厚兴趣。同时新旧材料形成对比，体现新型材料的优越性，直接客观地让学生了解土木建筑材料的性能知识。

（3）在拓展试验方面，根据不同课题增添相应的新型试验，如地聚物混凝土项目让学生接触碱激发剂的配置、压汞试验和扫描电镜试验，从新增试验中了解不同配比的地聚物混凝土的性能差异、微观结构，尝试分析不同配比和变量对其各项性能和微观结构的影响以及力学试验中试件破坏的微观机理，由此锻炼学生的观察和分析能力。科研课题带来的新型试验丰富了学生知识面，在接触新实验内容的同时锻炼学生的动手实践能力，把课堂所学知识与实际相结合，进一步提升教学效果。

（4）地聚物混凝土主要应用在交通及修补工程、航天、冶金、特殊物品储存建筑等工程中，在实验和教学工程中，通过施工视频、讲解工程案例等方式，可以让学生了解相关内容，还可以培养其理论与实际应用相结合的意识，为今后工作与科研做好准备。同时，可以吸引学生上课注意力，使学生的大脑充分思考，遐想施工现场概况，进而达到师生互动的课题效果，也能让学生充分利用课程知识武装自己。