水 泥 基 材 料 開 發 性 實 驗 課 程 設 計

朱 洪 波

(同濟大學 先進土木工程材料教育部重點實驗室，上海 201804)

0 引 言

水泥的“細度和密度”“標準稠度用水量、凝結時間和安定性”“水泥膠砂、混凝土工作性及強度”等項目是土木工程材料及其相關專業的必修實驗課程內容，目前對其傳統驗證性實驗模式進行改革的討論相當熱烈，其中提出較多的有開放性[1-3]、設計性[4-7]、綜合性[8-10]、研究創新性[11-12]等實驗設計，以及多方式結合[13]、問題導向式[14]、多方案[15-16]、塔式[17]或多層次[18-19]等改革方案，分別通過增加相關實驗材料、開放實驗室、結合工程案例與科研項目、針對不同實驗安排差異化內容等方式實現改革目標。事實上，現代土木工程中已經很少單獨使用水泥，而是普遍將其與粉煤灰、礦粉、外加劑等材料一起用于制備混凝土，如果將這些材料的主要性能也通過上述實驗項目來檢驗和評價，并以此作為實驗目的之一，則不僅可在完成傳統課程目標的同時擴展相關知識，還能提高學生參與實驗的興趣。作者曾就此設計出綜合性實驗方案[20]，試用效果良好，在實踐中又總結出開發性實驗設計，對吸引學生的參與積極性和豐富課程內容作用明顯。

1 開發性實驗設計的作用及內容

1.1 作用

傳統驗證性實驗存在的缺陷已有共識，包括過程機械、印象不深、啟發性不足、收獲有限及參與實驗的積極性和主動性不高等，并且還不利于教師對實驗課成績的評價。開發性實驗設計的技術思路是將實驗課程變成一次科研活動，最終使學生獲得一些科研結果，而教學大綱規定的實驗目的、目標和要求則包含在這些科研活動中，學生為達目的自然要熟悉相關操作規程并嚴格執行，其結果明顯克服了驗證性實驗的缺陷。

1.2 內容

1.2.1課時與內容安排

實驗項目與課時安排如表1所示。

表1 實驗項目及課時安排

由于強度測試一般在試樣養護28 d后進行，所以，通常將表1中編號1的“水泥膠砂及混凝土成型”項目安排在實驗課周期內的較早時段，尤其混凝土成型還涉及大量的配比設計知識，所以宜將其分別安排2個課時進行。其他項目時間則可自由安排，但因安定性測試要在成型第二天進行，所以項目2與3的課程宜安排為連日進行。

1.2.2實驗材料和儀器

(1) 實驗材料。除了傳統實驗所需的水泥、標準砂、混凝土粗細集料等原材料以及測試勃氏比表面積用的標準粉和測試真密度用的煤油輔助材料外，同時準備減水劑和2種摻合料，包括粉煤灰和礦渣粉，另外自制安定性不合格水泥，可以用過燒CaO與合格水泥配制，將市售的化學試劑CaCO3放在高溫爐內，以1 300 ℃以上的溫度連續燒2～3 h，可得到過燒的CaO，密閉保存后可多次使用。

引入不同實驗材料也是一些研究者提出的改革方法[21-22]，上述增加的粉煤灰和礦渣粉是目前工程中普遍應用的材料，而增加安定性不合格水泥顯然能夠加深學生對實驗結果的認識[22]。

(2) 實驗儀器。與傳統實驗課程要求一致，包括勃氏比表面積測定儀，水泥細度負壓篩，水泥凈漿，膠砂和混凝土攪拌機及其成型振動臺，膠砂流動度跳桌，沸煮箱，標準養護箱，烘箱等儀器，以及電子秤、比重瓶、標準法維卡儀及其配套的初、終凝凝結時間測試針、凈漿流動度試模、玻璃板、雷氏夾、三聯砂漿試模、混凝土試模和小刀、鋼直尺、坍落度桶、搗棒等器具和量具。

所不同的是，因為要對比多種材料的性能，所以要增加一些簡單實驗裝置，如比重瓶和凝結時間、安定性、三聯砂漿、混凝土等試樣的成型模具。如果課時或器具有限，也可在不增加課時及器具條件下安排不同小組進行不同材料的實驗，互相對比，也能獲得同樣效果。

1.2.3實驗項目

(1) 細度和密度。該測試采用3種材料：水泥60 g，粉煤灰40 g，礦渣粉50 g。不同材料進行密度測試時所稱量的質量不同，這是因為其密度不同，要適應為水泥密度測試而設計的比重瓶及其容量，必須采用相應的測試樣質量。

(2) 標準稠度用水量(以代用法中“固定用水量”方法為例)、凝結時間和安定性。按照表2分別采用5種材料進行實驗，其中粉煤灰和礦粉替代水泥的比例分別為30%和50%，這是為了滿足不同摻合料活性指數測試方法的要求，通過該配合比表的設計不僅驗證了水泥的標準稠度用水量，也能看到粉煤灰、礦粉和減水劑對稠度的影響。凝結時間和安定性根據實驗獲得的標準稠度來進行，同樣能了解粉煤灰、礦粉和減水劑對凝結時間的影響。將安定性合格與不合格水泥匿名編號，讓學生通過實驗檢測出來，從而可將驗證性實驗變為研究項目。

表2 標準稠度用水量實驗配合比 g

表中：“*”表示安定性不合格水泥

(3) 水泥膠砂流動度及混凝土坍落度，膠砂、混凝土成型及強度。分別按照表3、表4進行4種材料的實驗，可檢驗出摻合料和外加劑對膠砂、混凝土工作性和強度的影響。通過表4的混凝土配合比設計，不僅可以通過減水之后要相應改變砂石摻量來適應材料總量2 400 kg/m3的配合比設計原則，還能看到減水后混凝土強度的大幅度提高，可加深學生對減水劑作用的直觀理解。表2～4中，減水劑按照其摻膠凝材料1%條件下達到20%減水率的產品設計摻量，也可以在有減水劑的膠砂流動度和混凝土坍落度實驗組中不固定用水量，而是要求學生通過實驗求得該減水劑在1%摻量下的減水率，即可將驗證性實驗轉化為開發性實驗。

表3 膠砂實驗配合比 g

表4 混凝土實驗配合比 kg/m3

1.2.4實驗結果與討論

實驗結束后，讓各組把結果統一展示并進行簡評與討論。通過展示首先可發現特別異常的結果，可就此討論影響實驗結果的可能因素，包括稱量或操作誤差、原材料波動、儀器異常等；然后教師可針對一些學生感興趣或對學生具有啟發性的話題展開深入討論，各實驗可選擇的討論內容見表5。

表5 實驗討論內容

由表5可見，開發性實驗課程關注討論與實驗相關的擴展知識內容，引導學生將所學或即將學習的知識與所開展的實驗相結合并產生聯想，從中領悟出更深刻的水泥基材料科學內涵，不僅加深了對實驗本身重要性的認識，而且可將相關知識融會貫通，其有益作用顯然會高于簡單重復規范操作的驗證性實驗。

另外，建議在每個實驗報告的最后增加一項“實驗心得”內容，可讓學生在此總結從實驗中得到的收獲和感想，對進一步加深學生掌握各實驗要領很有幫助。

2 效果評價

上述開發性實驗設計分別應用于土木工程和材料科學與工程(建材方向)專業的水泥材料實驗課程，由于這2個專業的課時安排不同，前者共5次10學時，按照表1的課時安排；后者共7次21學時，根據表1增加1次膠砂流動性實驗并將項目4的膠砂與混凝土強度測試分開進行，所以分別采取了不同組做不同材料以及每組均完成不同材料的兩種實驗安排，對比以前采用的驗證性實驗，均獲得了顯著的教學改進效果，主要體現在：

(1) 參與實驗的積極性明顯提高，實驗過程中氣氛更加活躍，學生的提問內容涉及更廣泛的領域，通過實驗啟發學生思考的作用凸顯。

(2) 討論更加熱烈，相應地實驗報告內容也更加充實。過去驗證性實驗報告千篇一律，除了少數實驗數據以外大多抄錄標準和規范，開發性實驗激發學生產生更多的聯想，在報告中所呈現的內容更加豐富且各具特色。

(3) 基本教學目標得到保證。雖然實驗目標和討論主題不像過去驗證性實驗模式下強調對方法、流程等基本實驗知識的了解和掌握，但由于開發性實驗目標中已經涵蓋了嚴格執行操作規程的內容，否則無法獲得正確結果，因此學生在預習中更加仔細地學習了實驗操作要領并認真執行，原有教學目標得到保障。

3 結 論

(1) 通過增加粉煤灰、礦粉、減水劑和安定性不合格水泥等材料并提出研究性的實驗目標，設計出開發性水泥基材料實驗課程。分別測試水泥、粉煤灰和礦渣粉的細度及密度；進行純水泥、內摻30%粉煤灰及內摻50%礦渣粉的標準稠度用水量、凝結時間、安定性、膠砂及混凝土的強度測試等實驗；在安定性實驗中，通過對比安定性合格與不合格水泥，加深學生對該實驗操作和對結果評價的認識。

(2) 開發性實驗顯著提高了學生的學習興趣和參與實驗的積極性，實驗與討論內容更加豐富，激發學生產生更多的聯想，并且原有教學目標得到保障。

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