“混凝土设计—耐久性为目标”的土木工程材料创新性实验教学实践

2022-07-01顾亚敏宋旭艳郜志海

科教导刊 2022年13期

顾亚敏，宋旭艳，郜志海

（苏州科技大学土木工程学院，江苏苏州 215011）

前言

土木工程材料是我院土木类工科专业必修课，要求学生掌握通用硅酸盐水泥的生产方法、物理化学性能、水化硬化机理、质量控制和工程应用。现有实践教学内容涵盖了通用水泥标准稠度用水量、凝结时间、体积安定性实验、砂石骨料筛分、水泥胶砂强度及混凝土强度检测，这些内容侧重于对水泥混凝土原材料及性能检测能力的培训，缺乏水泥混凝土配合比设计方面的实践教学。

水泥混凝土工业在国民经济发展中发挥重要作用，中国巨大规模的基础设施建设需要大量满足技术性能要求的水泥混凝土。而现有实践教学集中在检测水泥混凝土物理力学性能上，实验步骤完全按照相关规范进行。水泥混凝土设计与制备实践教学环节的缺失，使得学生无法从实践教学中学习如何设计混凝土、改性混凝土，无法从实践教学中巩固和加深学生对混凝土配合比设计、性能改进、工程应用等知识的深入理解。

为进一步巩固和加深学生对水泥混凝土等专业知识的理解，系统培养学生综合利用所学知识分析问题、解决问题及创新思维能力，填补我院土木工程材料方向实践教学环节中混凝土设计与改性的空白,丰富和完善现有实践教学内容，土木工程材料课程教学改革中开展竞赛模式的高性能混凝土实践设计，利用工业副产品掺和料适量取代高能耗的传统胶凝材料水泥，达到节约水泥及提高混凝土的力学性能。同时亦使学生初步了解水泥混凝土工业的环境影响、社会影响、国际影响，推动混凝土低碳绿色化发展进程，理解作为专业技术人员应肩负的社会责任以及爱国情操。

1 实验教学方案设计

1.1 以课堂教学为基础

根据土木工程材料“主次分明，主为重点知识必须强化教学、提升深度，次为辅助性知识内容拓宽学生视野”教学特点，教学内容组织围绕核心“水泥基混凝土”逐步扩展，基本涵盖通用水泥、砂石集料、功能性掺合料、耐久性评价指标等建材单元。使学生系统了解课程的主体知识结构，缓解学生因普遍的认知不足——知识点烦冗、体系混沌而带来的焦虑、畏难情绪。

在教学过程中，将混凝土配合比设计、原材料准备、混凝土制备、性能检测有机结合起来，使学生掌握混凝土胶凝组分化学成分及矿物组成、骨料级配与堆积状态、组成与性能之间的关系。按照课堂教学计划及进度，合理穿插相关实验课程，适时开展“混凝土配合比设计—耐久性为目的”为主线的竞赛实验环节。整个实验教学环节中，使学生明确什么性能的混凝土符合工程实践需求，即目标产品，如何设计目标产品，如何获得目标产品，如何检测目标产品并判定目标产品性能是否满足设计目标。整个实验环节，学生表现出高昂的学习热情和积极性，既可以巩固基本理论知识，亦可以加深理论联系实际；充分发挥学生创新意识，激发学生自主创新兴趣，培养学生具备新材料、新工艺、新技术的初步研究能力和创新能力。具体的实验安排如表1 所示。

表1 土木工程材料实验安排

课程实验内容具有系统性和完整性，从原材料的选择（制备）、物理化学性能分析、配合比关键参数计算、混凝土成型、养护、各龄期强度及耐久性性能评价，前一项实验结果均是后续内容开展的设计依据，对后续每一项内容的正确性有极大的影响。项目的实施需要团队合作完成，并非个人力量独立完成。合理有效的组织有利于竞赛团队价值的整体提升，在实验教学环节引入知识共享激励机制，激发广大学生的学习积极性，调动学生的主观能动性和实践性，培养学生的组织协作精神，强化自主学习和终身学习意识，以较好地适应工作环境、适应社会。因此，在项目建设中，要求学生具有较强的组织管理能力、团队协作能力，能够在团队中承担个体、团队成员以及负责人的不同角色。根据课程实验教学目标，从以下五个方面开展竞赛实验项目。

第一，水泥的相关性能分析（2 学时）。选择有代表性的普通硅酸盐水泥，应用所学水泥基胶凝材料等相关知识，分析测试水泥的比表面积、标准稠度需水量、初终凝时间、体积安定性（雷氏夹和试饼法）等性能。

第二，骨料的级配曲线（2 学时）。通过砂石筛分实验，掌握细度模数计算方法及级配曲线图绘制技能，并进一步了解级配参数对细度、颗粒度分布及堆积空隙率的影响，确定经济合理的骨料级配参数。

第三，水泥砂浆的物理力学性能测试（2 学时）。针对不同胶砂比（C/S）、水灰比的砂浆（W/C），测试其工作性能、力学性能，包括流动度、强度等，明确变量C/S、W/C对砂浆的工作性和抗压/折的影响并掌握相关检测方法。

第四，考虑耐久性—混凝土配合比实验（3 学时）。a.普通混凝土配合比：根据测定的原材料相关性能以及要求的混凝土强度等级和坍落度进行配合比的理论计算，明确关键参数用水量、水泥量、砂率、砂石用量。计算施工配合比时，考虑对砂石的实际含水率，试配拌合物工作性是否满足要求，若不符合要求，现场进行调整。b.考虑耐久性—混凝土配合比设计：了解外加剂种类和掺量以及矿物掺和料等对水泥混凝土物理力学性能的影响，根据给定的工程环境参数确定外加剂及矿物掺和料的种类和最佳掺量，并考虑经济性能。

第五，其他材料实验（1 学时）。低碳钢的拉伸实验，观察并正确理解其应力—应变曲线图中的弹性、屈服、强化、颈缩阶段，并熟悉各阶段对应的指标及选材指导意义；沥青的三大性能及指标实验（演示），包括针入度、延度、软化点。

1.2 初步竞赛环节

竞赛主题是以普通水泥为胶凝材料，砂、石为混凝土中骨架结构，掺和料（矿物掺和料及外加剂）作为耐久性获得的保障。竞赛内容不仅仅是课程所学知识的掌握和应用，还需要综合运用材料学基本原理、水泥制备原理、测试技术等知识，并进一步通过文献检索、资料查询等基本方法，自主获取新知识，了解制备绿色高性能混凝土技术途径和发展动态，在此基础上进行原材料的选择和设计等。同时有助于学生认识到，为适应科学技术飞速发展的形势，适应知识更新频率加快的要求，仅靠课堂所学知识是不够的，必须具有终身学习意识。

在土木工程材料课程教学之初即引入竞赛机制的课程实验，鼓励学生积极主动参与竞赛性实验，渗透竞赛的激励思想，同时借助课程教学实验的必修性质大幅提高参赛面，让绝大多数学生在参与竞赛的过程中培养组织协调能力以及解决复杂问题的自主能力。

初赛环节，学生自由组队（不限性别及班级），每个参赛队伍3 人，推选队长1 人，由队长总体负责报名和组织参加竞赛，任课老师可作为指导老师。初步竞赛环节落实之后，根据详细的评价标准，选出优秀的后备队，进一步参加国内相关赛事。

1.3 评比环节

由承担土木工程材料课程的系部及任课老师担任初步竞赛的评委，按照制定的内容综合评价课程实验中具体表现，给出各参赛组成绩：实验过程及结果的正确性（35分）；实验报告的规范性、完整性（25 分）；混凝土配合比计算的规范性和准确性（10 分）；混凝土的设计指标与实测结果的相关度（10 分）；实验过程及结果误差分析（10 分）；实验过程中自主解决问题的能力（5 分）；实验过程中的团队协作能力（5 分）。

根据各参赛组的综合成绩以及实验过程中各成员表现，评选优秀参赛队及优秀队员，设立一、二、三等奖若干队以及单项奖若干名，颁发相应证书及奖状。

1.4 引入新知识的课题竞赛教学方法

当代00 后大学的普遍特点是竞争意识强、兴趣爱好广泛、团队协作差，对自我感兴趣的事物专注度非常高，充分调动大学生的竞赛意识，利用他们较为熟练的网络信息技术，内在驱动其自主查阅相关文献资料。集中利用课程的课堂预习复习时间，增设“一课一问”知识问答环节，拓展材料新知识、新技术、新应用，丰富课堂教学内容，且课堂探讨氛围浓厚，学生积极参与。

1.5 基于教学—研讨模式组织团队

在初赛环节中表现优秀的团队以及突出的个人将进一步迎战无机非金属材料教学指导委员会主办的“全国大学生混凝土材料设计大赛”。该比赛每两年举办一次，根据不同年级学生的专业知识强度差异，合理选拔不同年级的学生参与比赛，高年级的学生专业知识基础扎实且专业理论知识面广，低年级学生亦有自己的独特优势即学习韧性强，且部分学生的兴趣广泛、创新能力强。通过适当的激励措施增加高年级和低年级组员间专业知识的共享，同时适当增加多元化知识的探讨，有利于参赛小组整体价值的提升。在团队训练期间，尝试本科生教学—研究生培养模式相融合，加强土木工程材料专业知识强度的学习及理解，培养学生的科研思维能力。通过比赛的锻炼及专业的熏陶，就业率以及读研率可以得到一定程度的提高，学生投身建设祖国的信念更加坚定。