建筑材料實驗教學三位一體模式探索

李福海， 何肖云峰， 李 瑞， 王江山， 靳賀松， 李星燁

（西南交通大學土木工程學院，成都610031）

0 引 言

科學研究離不開實驗，它是掌握建筑材料性能的主要有效途徑。在傳統實驗教學內容中存在的弊端與缺陷不僅抑制了學生興趣、不利于能力培養，同時不能滿足日益變化的科研和工程實際的需求［1］。實驗教學環節主要存在以下幾方面的問題：①課時較少、內容相對多且缺乏關聯性；②機械單一的授課和考核模式；③以驗證性實驗為主，學生參與度低，能力無法得到有效提升；④教學內容陳舊滯后、缺少實際案例，不能滿足新時代要求、學生興趣大大降低［1-8］。本文擬從科研課題、實驗拓展、工程應用3 個方面入手進行實驗教學的創新探討，以達到培養學生科研創新精神、提高實踐能力、提升學習興趣的目的。主要體現為：①引入科研課題更新實驗材料和內容，改善傳統實驗內容老套、缺乏新意的弊端；②把傳統驗證性實驗與科研和工程應用相結合，開展課題所需的綜合設計型實驗、工程實踐型實驗［3］，達到優化驗證性、設計性、綜合性、研究性實驗比例的目的；③開放實驗室，讓學生能更好地利用課余零散時間，彌補課時較少的缺陷；④將新材料應用于工程的實例照片、實驗流程、施工視頻穿插在教學中［4］，與普通混凝土形成對比，展示新材料的可行性、重要性、特殊性，有助于啟發學生創新思考、引起實踐興趣。這種理論與實際相輔相成的新型教學模式，既彌補了傳統模式的缺陷，又增強了實驗與實驗之間、實驗與工程之間的聯系，把抽象的理論知識形象化，加深學生對新混凝土材料特性和應用意義的理解，為以后的科研競賽、工作提供知識素材支撐，奠定基礎。

本文以地聚物混凝土為例，詳細介紹了基于科研的實驗課題以及地聚物混凝土的力學性能、工作性能、微觀拓展等各個新增實驗的示例與結果分析。再結合工程應用現狀，從“科研課題-實驗拓展-工程應用”3個方面論述創新教學改革的實現方式與每個方面對學生的幫助與啟示。

1 地聚物混凝土教學實驗概述

1.1 地聚物研究的意義

地質聚合物（Geopolymer），簡稱地聚物，在20 世紀70 年代末由法國人Davidovits［9］提出。它以礦渣、粉煤灰等工業廢棄物以及富含硅和鋁元素的硅鋁酸鹽類礦物作為原材料，在化學激發劑作用下，由硅氧四面體與鋁氧四面體聚合而成的三維網絡膠凝體［10］。與每生產1 kg普通硅酸鹽水泥產生的0.66 ～0.82 kg碳排放相比，生產每千克地聚物混凝土僅產生0.18 kg碳排放，僅為普通硅酸鹽水泥的1/5［11］。在材料最為重要的力學性能方面，地聚物混凝土表現優異，具有較高的抗壓、劈拉、抗折強度，同時擁有較好的耐久性和抗滲性［12］。并且在一定配比條件下使用一些特殊的外加劑，使地聚物混凝土擁有良好的工作性［13］。因此地聚物混凝土在未來的工程建設中擁有極大的應用潛力，其研究成果可以為今后的工程應用提供理論基礎。同時，將地聚物混凝土科研課題創新性地引入實驗教學中，可以使學生接觸并了解到最新的科研方向，緊跟新技術的發展腳步，為祖國建設培養素質高、創新力強、視野開闊的人才。

1.2 試驗方案概況

為了達到鍛煉學生動手實踐、探究等能力，教師可鼓勵學生參與地聚物混凝土課題的大部分試驗，包括前期較為基本的堿激發劑——氫氧化鈉溶液的配置、混凝土試件的制作、養護；抗壓和抗折強度試驗、坍落度和砂漿凝結時間等測試［14］，并對地聚物混凝土力學性能、工作性能等后期試驗數據進行處理、分析和總結。為了提高學生對新型建筑材料的認知，新模式對實驗教學內容進行拓展，增設壓汞試驗和掃描電子顯微鏡試驗［14］，讓學生根據試驗結果嘗試進行微觀解釋，進一步了解地聚物混凝土各項性能特征的機理。

1.3 配比選擇和調整說明

在常規建筑材料實驗課程中，材料配比是由教師提供或學生課前計算所得，且實驗時按照既定的配比操作。因此可以預知實驗結果，大致猜測結論（如試件抗壓強度、抗折強度等），導致實驗失去了探究性質與吸引力。為了改善這個情況，本文在實驗教學中加入部分設計性質的試驗和新型試驗（如壓汞、電鏡試驗），由教師提供多組地聚物混凝土的配比，每組配比對應不同的性能結果?；驅⑴浔仍O計的主動權交予學生手中，讓其自身探究當前試驗條件下最優的配合比，鍛煉學生的思考能力。

1.4 試驗后期工作

試驗操作結束后，需要學生按照《水泥膠砂強度檢驗方法》［15］計算試件的抗壓強度和抗折強度，并對不同配合比試驗的數據進行匯總，從各影響因素角度分析、總結各變量對抗壓、抗折強度的影響。通過宏觀的試驗數據分析和材料微觀機理分析的鍛煉，提高學生的邏輯思維水平和分析、總結歸納能力。

2 地聚物混凝土基本性能及微觀拓展實驗

2.1 原材料

粉煤灰：Ⅰ級粉煤灰（成都博磊）；礦渣：S95 級礦渣（成都市砼新建筑材料有限公司）；細集料：ISO標準砂；水玻璃：波美度為40 度；片狀氫氧化鈉：純度w≥95%；減水劑：聚羧酸粉末減水劑；成都市政管網自來水。

2.2 混凝土試件的制備和養護

首先將標準砂和粉煤灰放入攪拌機中攪拌30 s，然后將配制好的NaOH 溶液加入稱好質量的水玻璃，攪拌至均勻后加入攪拌機中攪拌1min（根據實際情況調整攪拌時間）；采用40 mm ×40 mm ×160 mm 的三聯試模，將混凝土試塊放在所需養護制度的養護箱中進行養護。

2.3 力學性能實驗

2.3.1 實驗方法及方案設計

本文舉例的力學性能實驗即按照《水泥膠砂強度檢驗方法》對混凝土試塊進行抗壓強度和抗折強度試驗［16］，并以3 d強度值作為參考指標，7 d強度值作為衡量指標，通過控制不同變量，分別探究養護溫度、水玻璃和NaOH溶液的質量比等因素對抗壓和抗折強度的影響。

既然碰上了，紫云并不躲避，正想羞辱他一番，出一口惡氣。也許這樣更好，這一天遲早會來，她在心里默念著：“是的，我不要臉，鬧出去了，丑的還是你?！?/p>

2.3.2 實驗結果分析

（1）養護溫度的影響。實驗以水玻璃和氫氧化鈉溶液為雙溶液激發劑，其中氫氧化鈉溶液濃度為8 mol/L，水玻璃和氫氧化鈉溶液質量比為2.5，將成型后的試塊分別放入溫度為20、40、60、80 ℃的恒溫水浴養護箱中進行養護，然后通過實驗測出3、7 d 的抗壓、抗折強度來探究養護溫度對強度的影響，結果見圖1。

圖1 溫度對抗壓、抗折強度的影響

由圖1 可見，抗壓、抗折強度都隨著養護溫度的提高而不斷提高，且當溫度低于40 ℃時，3 d和7 d的抗壓、抗折強度都很低。當溫度提高到40 ℃時，相比常溫下，強度有了很大提高，3 d的抗壓強度提高了10.7 MPa，7 d的抗壓強度提高了10.5 MPa，但是初期強度還是較低。當溫度提高到60 ℃時，3 d 和7 d 的抗折強度均達到最大，同時初期抗壓強度由3 d 的17.6 MPa增長到7 d的24.3 MPa，從3 d到7 d這個齡期段的抗壓強度凈增長值最大。當溫度超過80 ℃時，抗壓強度仍在不斷增長，而抗折強度有輕微的下降趨勢。在80 ℃養護條件下，從圖中還可以看出，3 d齡期抗壓強度的增長速度要快于7 d，但仍未超過7 d 的抗壓強度。

從以上結論可知，強度受到養護溫度的影響，溫度的提高不僅從物理方面加劇了分子熱運動，提高了激發劑的熱激發能，而且也從化學方面提高了氫氧根離子的解聚極化能，使活性低的玻璃體結構更容易被解聚。因此，隨著養護溫度的提高，材料的活性增強，其強度也得到了提高。

（2）質量比的影響。本試驗質量比為水玻璃與氫氧化鈉溶液的質量之比（后面敘述簡稱質量比）。氫氧化鈉溶液摩爾濃度為14 mol/L，采用密封養護制度，在60 ℃的干燥養護箱內養護7 d，測試不同質量比下的抗壓、抗折強度，結果見圖2。由圖2 可見，隨著水玻璃與氫氧化鈉溶液的質量比的增大，7 d 抗折強度呈現先升高再降低的規律，且起伏趨勢較平緩。7 d抗壓強度則隨質量比的增加呈現先升高再降低，然后又升高再降低的“駝峰”狀的規律，且從圖中可以得到其抗壓強度在質量比為1.0 時得到第1 個峰值，在質量比為2.5 時得到第2 個峰值。質量比為1.0 時強度達到最大值，在60 MPa左右。

圖2 質量比對地聚物混凝土強度的影響

2.4 工作性能實驗

2.4.1 實驗方法及方案設計

（1）儀器設備。砂漿凝結時間測定儀（見圖3），刮刀。

圖3 砂漿凝結時間測定儀

（2）方法與步驟。砂漿凝結時間根據《建筑砂漿基本性能測試方法標準》（JGJ/T70-2009）［17］試驗方法操作，來探究質量比、礦渣摻量等因素對砂漿凝結時間的影響。

2.4.2 實驗結果分析

從實驗結果中發現砂漿凝結時間和水玻璃與氫氧化鈉溶液的質量比、礦渣摻量有很大關系，其中質量比是影響凝結時間的最關鍵的因素，結果見表1。

表1 影響凝結時間的因素

從表中可見，當水玻璃與氫氧化鈉溶液的質量比在1.0 ～1.5 范圍內，砂漿的反應較快，當質量比在1.5 ～2.5 范圍內，砂漿的反應很慢，且凝結時間隨質量比的增加而延長，緩凝劑對砂漿凝結時間的影響不大。

除了質量比對砂漿水化反應和凝結時間起到關鍵的影響以外，摻入的礦渣百分量對其影響也很大。從表中可見，摻入礦渣后，凝結時間大大縮短，而且隨著礦渣摻量的增加，逐漸加速縮短凝結時間。

2.5 微觀拓展實驗

2.5.1 壓汞實驗

壓汞實驗采用Autopore iv 9500 壓汞儀來測試地聚物混凝土的孔隙。

孔隙結構是混凝土微觀結構中重要的組成部分，目前國內外對地聚物混凝土的孔隙結構研究較少，而地聚物是一種比較復雜的三維網狀結構，因此研究其孔隙特征是解釋不同因素影響其強度的重要依據，所以研究孔隙結構特征有非常重要的意義。

當水玻璃與氫氧化鈉溶液的質量比從0.5 增加到2.5 時，探究地聚物混凝土孔隙率變化規律，結果見圖4。

圖4 凝固時間為1 d時不同質量比的地聚物試件孔隙率

由圖4 可見，隨著質量比的增加，試塊的孔隙率呈現先增加再降低后增加的趨勢。在質量比為0.5 ～1.0 時，孔隙率隨著質量比的增加而上升；在質量比為1.0 ～1.5 時，孔隙率隨著質量比的增加而降低；在質量比為1.5 ～2.5 時，孔隙率隨著質量比的增加而上升。當質量比為1.0 時，孔隙率達到最高值22.07%；質量比為1.5 時，孔隙率達到最低值10.16%。

2.5.2 電鏡實驗

使用KYKY-EM3200 掃描電子顯微鏡定性測定地聚物水化產物微觀形貌。舉例的電鏡實驗針對地聚物強度影響的重要因素中選取水玻璃與氫氧化鈉溶液質量比為1.0、2.5 兩種質量比，養護溫度為40 ℃，礦渣摻量為0%、30% 4 種工況，觀察水化聚合反應以及產物在不同工況下的變化，成型1 d 時地聚物的微觀形貌見圖5。

圖5 質量比2.5時反應1 d的SEM圖

對比圖5（a）和（b）可見，粉煤灰顆粒依舊呈現為較光滑的表面，說明礦渣為0 時粉煤灰漿體依舊未充分反應；從微觀結構中可以解釋，在未摻加礦渣時，粉煤灰顆粒長期以光滑球體的結構存在于漿體中，從而減小其與周邊漿體的摩擦力，在宏觀上整體具備良好的流動性。由圖5（b）可見，當礦渣摻量為30%時，粉煤灰顆粒數量明顯減少，說明礦渣的加入提高了反應速率，粉煤灰顆粒間填充著礦渣微粉、堿激發礦渣產物與堿激發粉煤灰產物的混合物，所以可清晰觀察到粉煤灰顆粒間的空隙明顯減少，穩定性得到提高，因此得出這些因素可以加快地聚物的水化聚合反應，提高其早期強度。

2.6 工程應用現狀

地聚物混凝土在冶煉行業、汽車及航天工業、交通和修補工程、固封重金屬及放射性廢料、物品儲存等領域都得到了普遍應用［18］。

（1）冶煉行業和汽車、航天工業。地聚物混凝土相比普通混凝土的耐高溫性能更好，在承受1 000 ～1 200 ℃高溫的情況下，結構性能不發生較大改變，且不會在高溫環境下釋放有毒物質；生產過程中耗能低、CO2的排放量僅是硅酸鹽水泥的1/5。所以被普遍應用于賽車與航天器的關鍵部分以及金屬冶煉行業。Davidovits曾使用地聚物混凝土制件澆筑預制品并取得了成功。

（2）交通及修補工程。地聚物混凝土具備快硬早強、水化熱低的特性，用于工程可以減少脫模時耗，提高模板周轉效率從而縮短施工期限，滿足快速建成結構物并投入使用的需求；同時地聚物混凝土也用于結構修補、加固［19］，體現了其良好的耐久性、體積穩定性和較高的界面結合強度等優點，對于搶險救災有重要的應用價值。

（3）固封重金屬及放射性廢料。現實生活中，固存核放射物質與廢棄有毒金屬離子的建筑物廣泛采用地聚物混凝土修筑。歸因于其聚合后產生密實的三維網絡狀“類晶體”［20］結構，生成密實的空腔能分隔、包裹有毒金屬離子。擁有優越的抗滲透、耐腐蝕、耐水熱性能，能長期經受核反應產生的水熱循環且固定大部分有毒金屬離子。

（4）物品儲存。以地聚物混凝土修建的結構有良好的密實性且能自動調控溫度與濕度，防止物品受潮生霉、變質。自身所具備的高強度也可以抵御鼠蟲的啃咬、入侵。

3 實驗分析與討論

以上對地聚物混凝土的力學性能、工作性能、微觀拓展等各個實驗內容、結果分析進行了舉例，同時討論了結合科研與工程方面的應用，這種三位一體的教學模式可以使學生得到實際的幫助和鍛煉。

（1）不同配合比對地聚物混凝土的各項性能有較大影響，前期由學生自行選擇材料配比替代傳統驗證配合比實驗，彌補原實驗可預見性差、學生參與度低、教學質量不佳等缺陷。引發學生對于本實驗的憧憬，進一步激發學生的好奇心與創造力。另外，配合比的調整修正的過程還可以使學生充分回顧課堂知識，達到溫故知新的成效。

（2）學生在校期間的課程主要以理論課程和基礎實驗為主，而科研課題在原有基礎上將新型材料與基本實驗相結合。即使是傳統的混凝土試件制作、力學性能試驗以及工作性能等基礎試驗，在結合新材料后實驗結果也與普通混凝土不同，結果的差異性使學生不可預見，從而促使學生產生濃厚興趣。同時新舊材料形成對比，體現新型材料的優越性，直接客觀地讓學生了解土木建筑材料的性能知識。

（3）在拓展試驗方面，根據不同課題增添相應的新型試驗，如地聚物混凝土項目讓學生接觸堿激發劑的配置、壓汞試驗和掃描電鏡試驗，從新增試驗中了解不同配比的地聚物混凝土的性能差異、微觀結構，嘗試分析不同配比和變量對其各項性能和微觀結構的影響以及力學試驗中試件破壞的微觀機理，由此鍛煉學生的觀察和分析能力。科研課題帶來的新型試驗豐富了學生知識面，在接觸新實驗內容的同時鍛煉學生的動手實踐能力，把課堂所學知識與實際相結合，進一步提升教學效果。

（4）地聚物混凝土主要應用在交通及修補工程、航天、冶金、特殊物品儲存建筑等工程中，在實驗和教學工程中，通過施工視頻、講解工程案例等方式，可以讓學生了解相關內容，還可以培養其理論與實際應用相結合的意識，為今后工作與科研做好準備。同時，可以吸引學生上課注意力，使學生的大腦充分思考，遐想施工現場概況，進而達到師生互動的課題效果，也能讓學生充分利用課程知識武裝自己。

4 結 語

隨著各類新型材料、研究方法的不斷更新，現存模式的建筑材料實驗教學已不能滿足科研、工程和培養學生能力的要求。在分析傳統模式的弊端與缺陷后提出了基于科研課題的創新教學改革。

（1）實驗拓展。以傳統重要實驗為基礎，選取“引入-組合-開放”的方法進行優化。通過基礎型實驗掌握材料最基本理論知識和儀器操作原理、使用方法，再引入科研課題的新型材料和前沿實驗方法與基礎實驗相組合，增加課題所需的新型實驗。放寬傳統實驗的配比限制，豐富綜合設計型實驗內容，增添教學吸引力、提升學生興趣。

（2）參與科研課題。經過一系列的項目參與、實驗設計、實驗操作、結果分析等鍛煉后，學生具備了基本的科研能力、科研素養和自主探索意識，在理清思路、查閱文獻、處理數據、撰寫論文等方面奠定了良好的基礎。

（3）工程應用。結合實際案例穿插展示，把原本抽象、分散的科研理論通過實踐串聯起來，使抽象物體具象化，讓學生更易理解知識是一個從實踐到認識再到實踐的過程，既驗證又鞏固了所學內容，在頭腦中更易建立較完善的知識體系。

“科研課題-實驗拓展-工程應用”三位一體的教學方式，能調動學生積極性、主觀能動性。與傳統實驗相比，更加注重培養嚴謹創新的科研思維和分析問題、解決問題的實際應用能力。